DE4312530A1

DE4312530A1 - Mikrowellen-Temperatursensor für Flüssigkeiten und Verfahren zur Bestimmung sowie Verfahren zur Einstellung einer Temperatur einer Flüssigkeit durch Mikrowellenenergie

Info

Publication number: DE4312530A1
Application number: DE19934312530
Authority: DE
Inventors: Thomas Weber
Original assignee: Cytech Biomedical Inc
Current assignee: Cytech Biomedical Inc
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1994-10-20
Also published as: WO1994024532A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Tempera tursensor zur Messung der Temperatur in einer Flüssigkeit, welche Mikrowellen absorbieren kann, einen Regelkreis zum Ein stellen der Temperatur in einer solchen Flüssigkeit, welcher diesen Mikrowellen-Temperatursensor umfaßt, sowie die Verwen dung eines solchen Regelkreises für zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie ein stellbaren Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüs sigkeit und ein Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Tem peratur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mittels Mikrowellenstrahlung.

Mikrowellen werden in der industriellen Technik in zunehmendem Maße als Energiequelle eingesetzt. So werden Mikrowellen bei spielsweise in der Lebensmittel-Industrie zum Trocknen, Kondi tionieren, Rösten und Pasteurisieren, in der holzverarbeiten den Industrie sowie in der Landwirtschaft zum Trocknen, und in der Kunststoff-Industrie in verschiedensten Verfahren verwen det.

Sehr aussichtsreich erscheint auch die Erhitzung von Flüssig keiten durch Mikrowellen. Dies betrifft insbesondere Anwendun gen, bei denen durch Mikrowelleneinstrahlung Temperaturerhö hungen in Flüssigkeiten erzeugt werden, um chemische oder phy sikalisch-chemische Prozesse in der Flüssigkeit in Gang zu setzen oder ablaufen zu lassen. Die Mikrowellenerhitzung von Flüssigkeiten hat den besonderen Vorteil, daß durch die hochenergetische Strahlung von ca. 0,3 GHz bis ca. 300 GHz und durch starke Durchdringung der Flüssigkeit mit relativ hohen Eindringtiefen eine sehr rasche Temperaturerhöhung stattfinden kann. Dabei wird die Erwärmung der Flüssigkeit hauptsächlich durch die spezifische Absorptionsrate der Flüssigkeit und der Intensität und Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung beeinflußt. Die Wärmeerzeugung in der Flüssigkeit ist auf die Absorption der eingestrahlten Mikrowellen zurückzuführen, wobei Moleküle mit polarer Struktur (Dipole) der Flüssigkeit, im allgemeinen das Lösungsmedium, angeregt werden. Begleitend zur Umwandlung von Mikrowellenenergie in Wärmeenergie findet eine Wärmeleitung in der Flüssigkeit statt, so daß beide Effekte zur Erhitzung der Flüssigkeit beitragen.

Ein Hindernis für die breite Anwendung der Mikrowellenerhit zung in der industriellen Technik, insbesondere zur Erhitzung von Flüssigkeiten zur Kontrolle und zum Einstellen chemischer oder physikalisch-chemischer Prozesse, besteht jedoch darin, daß es bisher keine geeigneten Mittel gibt, um eine gewünschte oder zu erreichende Temperatur zuverlässig und exakt zu bestimmen oder einzustellen. Herkömmliche Temperaturmeßgeräte, wie Thermometer, Thermoelemente und Thermistoren sind für diesen Zweck ungeeignet, da diese Materialien enthalten, die selbst Mikrowellen absorbieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellen- Temperatursensor bzw. einen Regelkreis zum Messen bzw. zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, um eine genaue und zuverlässige Messung bzw. Einstellung der Temperatur in der Flüssigkeit zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Mikrowellen-Temperatursen sor, der eine Schicht aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowel len nicht absorbierenden Flüssigkeit, ein Steigrohr, welches mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt steht, eine Einrichtung zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr, und eine Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals umfaßt, sowie durch einen Regelkreis, der zusätzlich zu dem genannten Mikro wellen-Temperatursensor eine Einrichtung zum Steuern einer Mi krowellenquelle in Abhängigkeit des gemessenen Lichtsignals umfaßt.

Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung bestehen in der Verwendung des erfindungsgemäßen Regelkreises für zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme, insbesondere solche, die in einem Nucleinsäure-Amplifikationsansatz eingesetzt werden.

Eine weitere Ausgestaltung vorliegender Erfindung besteht in einem Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur einer mikrowellenabsorbierenden Flüs sigkeit, welche die folgenden Schritte umfaßt:

a) Über- oder Unterschichten mindestens eines Teils der mikro wellenabsorbierenden Flüssigkeit mit einer licht absorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit,
b) in Kontaktbringen der Über- oder Unterschichten, Mikrowel len nicht absorbierenden Flüssigkeit mit einem Steigrohr, und
c) Bestimmung der Temperatur durch Messen der durch das Steig rohr durchgelassenen Lichtmenge.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mittels Mikrowellenstrahlung, wobei die mikrowellenabsorbierende Flüs sigkeit mindestens teilweise mit einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit über- oder unter schichtet wird und die Mikrowellenstrahlung so lange auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird, bis sich in einem mit der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt gebrachten Steigrohr die Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit durch die volume trische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit so geändert wird, daß die durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmte Steighöhe der gewünschten Temperaturerhöhung entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatur sensors.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatur sensors, welcher gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Modifikationen aufweist.

Fig. 3 bis 5 zeigen schematische Darstellungen weiterer Aus gestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors, welche sich durch Modifikationen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ergeben.

Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemä ßen Mikrowellen-Temperatursensors, der in einem erfindungsge mäßen Regelkreis zum Einstellen der Temperatur in einer mikro wellenabsorbierenden Flüssigkeit integriert ist. Die Fig. 6 und 7 dienen ferner zur Erläuterung eines Verfahrens zur Be stimmung sowie eines Verfahrens zur Einstellung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur in einer mikrowel lenabsorbierenden Flüssigkeit.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors, wie er beispielhaft durch die Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 5 gezeigt ist, zur Messung der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit bzw. beim Integrieren des Temperatursensors in den erfindungsgemäßen Regelkreis zum Einstellen der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit muß der Mikrowellen- Temperatursensor in die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit eingebracht bzw. eingetaucht werden, daß die mikrowellen absorbierende Flüssigkeit mindestens teilweise mit der nachstehend näher erläuterten Schicht aus einer lichtab sorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit über- oder unterschichtet ist.

Die Flüssigkeit, bei der der Mikrowellen-Temperatursensor zum Messen bzw. zum Einstellen der Temperatur angewandt werden kann, muß Bestandteile enthalten, die Mikrowellen absorbieren, um eine Wärmeerzeugung und infolgedessen eine volumetrische Änderung der Flüssigkeit zu gewährleisten, damit die Temperaturmessung gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann. Die Fähigkeit zur Mikrowellenabsorption wird in der Regel durch das Flüssigkeitsmedium gewährleistet, welches hierzu einen im wesentlichen polaren Charakter zur Mikrowellenanregung aufweist. Die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit kann somit als Lösungsmittel beispielsweise Wasser, Niedrigalkohole wie Methanol und Ethanol, dipolar aprotische Lösungsmittel wie DMF und DMSO, oder Mischungen dieser Lösungsmittel untereinander oder deren Mischungen mit anderen, damit mischbaren Flüssigkeitsmitteln enthalten. Ein bevorzugtes Flüssigkeitsmedium ist Wasser oder eine wäßrige Mischung.

Die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit der Schicht im erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensor ist mit der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit geeigneterweise nicht mischbar. Beide Arten von Flüssigkeit können jedoch für die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensors auch mischbar sein. In diesem Fall ist jedoch auf der Seite der Flüssigkeitsschicht aus der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, welche mit der mikrowellen absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt kommt, eine elastische Membran als dünne Zwischenschicht vorzusehen, um ein Vermischen beider Flüssigkeiten zu vermeiden, während bei Nichtmischbarkeit beider Flüssigkeitsarten eine solche elastische Zwischenschicht nicht erforderlich, sondern lediglich fakultativ ist.

Als lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüs sigkeit, welche die Schicht des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors bildet und welche bei der Anwendung des Tem peratursensors zur Temperaturmessung bzw. -einstellung in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit eine Schicht oberhalb oder unterhalb der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ausbildet, eignen sich beispielsweise Öle, Mineralöle, Paraffine, Isoparaffine, Xylol, flüssige Fette und dergleichen. Zur Lichtabsorption enthalten diese Flüssigkeiten vorzugsweise Farbmittel. Als lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit eignet sich jedoch auch ein flüssiges Material, die eine polymere Substanz, z. B. ein Kunststoffpolymer, enthält, welche, entweder entlang der polymeren Kette oder in geeigneten Seitenketten, chromophore Gruppen tragen, so daß Lichtabsorption bereits inhärent gegeben ist und die Zugabe von Farbmitteln in die Flüssigkeitsschicht somit nicht erforderlich ist. Das Material für die lichtabsorbierende Schicht sollte jedoch im wesentlichen keine oder nur in geringem Ausmaß dipolare Gruppen enthalten, um Mikrowellenabsorption zu vermeiden.

Das Steigrohr steht mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt, damit die lichtabsorbierende Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit aufsteigen kann, wobei der Kontakt beispielsweise durch Berührung der Oberfläche der Flüssigkeitsschicht oder durch Eintauchen in die Flüssigkeitsschicht erfolgt. Das Steigrohr sollte aus einem Mikrowellen nicht absorbierenden Material gebildet sein, beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Keramik. Das Steigrohr hat vorzugsweise die Form einer dünnen Kapillare. Durch den Kontakt des Steigrohrs mit der Flüssigkeitsschicht können je nach Art der Flüssigkeit Kapillaritätserscheinungen auftreten, wie Kapillardepression bzw. Kapillaraszension oder -attraktion (Absinken bzw. Aufsteigen der Flüssigkeit in dem Steigrohr) sowie Kapillarkondensation. Solche Kapillaritätserscheinungen beeinträchtigen die Funktionsweise des Mikrowellen- Temperatursensors jedoch nicht, da sie bei der Eichung des Temperatursensors berücksichtigt werden.

Die Größe der Schichtfläche aus der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit und die Größe des Querschnitts des Steigrohrs bzw. der Kapillare unterliegen keinen besonderen Einschränkungen. Die einzelnen Flächengrößen sollten jedoch einzeln und in Verbindung zueinander so eingestellt werden, daß sich eine merkliche Änderung der Flüssigkeit in dem Steigrohr und somit eine gut meßbare Änderung der aus dem Steigrohr austretenden Lichtmenge, wie nachstehend erläutert, ergibt. Um eine hohe Meßempfindlichkeit zu erreichen, sollte die Schichtfläche der licht absorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit wesentlich größer sein als die Querschnittsfläche des Steigrohrs, geeigneterweise in einem Bereich Schichtfläche der Flüssigkeitsschicht zu Querschnittsfläche des Steigrohrs von mindestens 5 : 1, beispielsweise 5 : 1 bis 10 000 : 1.

Das Licht, welches durch eine entsprechende Einrichtung in das Steigrohr eingestrahlt wird, durchläuft das Steigrohr, und das aus dem Steigrohr wieder austretende Licht dient anschließend als Lichtsignal, welches einen Rückschluß auf die Steighöhe der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in dem Steigrohr zuläßt. Das aus dem Steigrohr austretende Lichtsignal wird anschließend durch eine geeignete Einrichtung gemessen.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors zur Temperaturmessung oder -einstellung in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, wobei die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit als Über- oder Unterschicht mit der zu bestimmenden bzw. einzustellenden mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit in Kontakt tritt, wird in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit durch dessen Erwärmung infolge Mikrowelleneinwirkung eine volumetrische Änderung bewirkt, worauf sich eine entsprechende Änderung in der Steighöhe der in dem Steigrohr befindlichen und mit der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit in Kontakt stehenden lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit ergibt.

Die volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit stellt im allgemeinen eine Ausdehnung (Dilatation) dar, da die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit üblicherweise einen positiven Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß sich im Effekt die Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr erhöht. In seltenen Fällen, bei denen die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einen negativen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweist, kann die volumetrische Änderung auch in einer Kontraktion bestehen, wodurch die Steighöhe Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr erniedrigt wird.

Die demnach geänderte, d. h. erhöhte oder erniedrigte Schichtdicke der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr verändert in entsprechendem Maße das aus dem Steigrohr austretende Lichtsignal, was durch die Licht-Meßeinrichtung registriert wird. Somit ist der verringerte (im Fall der Dilatation der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit) bzw. erhöhte (im Fall der Volumenkontraktion der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit) Lichtstrom ein Maß für die Temperatur der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausfüh rungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Mikrowellen-Tempera tursensor 10 mit einer Schicht aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit 11 und dem Steig rohr 12. Die lichtabsorbierende Flüssigkeit hat in diesem Beispiel bereits vor dem Eintauchen des Mikrowellen- Temperatursensors in die zu messende mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit durch Kapillarkräfte eine bestimmte Steighöhe in dem Steigrohr 12 erreicht. Mit 13 ist eine Lichtquelle ge zeigt, welche Licht entlang der Längsachse des Steigrohrs ein strahlt. Um eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit zu errei chen, sollte die Lichtquelle 13 eine hohe Lichtintensität auf weisen. Als Lichtquelle geeignet ist z. B. eine Quecksilberdampflampe, eine Wolframglühlampe, eine Xenonlampe oder ein Laser. Ferner sollten die Art der Lichtquelle 13 sowie die Lichtabsorptionseigenschaften der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit so gewählt werden, daß eine Absorption, vorzugsweise ein starke Absorption, der Flüssigkeit durch das entsprechende Licht stattfindet. Das aus dem Steigrohr austretende Lichtsignal wird über eine Lichtleitfaser 14, welche beispielsweise eine Fieberglasfaser oder eine lichtleitende Kunststoffaser ist, zu einer Einrichtung zum Messen des Lichtsignals geleitet, welche einen Lichtleiterstecker 15 und ein lichtempfindliches Element (Fotoelement) 16 umfaßt. Als lichtempfindliches Element 16 kann beispielsweise ein aktives Fotoelement (Solarzelle) oder ein passives Fotoelement, wie ein Fototransistor, ein Fotowi derstand oder eine Fotodiode, dienen. Eine Deckplatte 17, wel che auf der gesamten Oberfläche der Flüssigkeitsschicht 11 mit Ausnahme einer Aussparung für das Steigrohr 12 ausgebildet ist, dient dazu, daß bei der Anwendung des Temperatursensors zur Messung der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit der gesamte Druck, der durch die thermische Ausdehnung auf die untere Seite der Flüssigkeitsschicht 11 einwirkt, sich auf den relativ kleinen Querschnitt des Steigrohrs 12 auswirkt, damit sich auch bei einer relativ kleinen Volumenänderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit eine relativ große Änderung in der Steighöhe der lichtabsorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr 12 ergibt. Die Deckplatte 17 ist geeigneterweise aus Glas, Kunststoff oder Keramik. Falls ein Druckausgleich im Steigrohr erforderlich ist, kann im oberen Teil des Steigrohrs eine Öffnung zur Druckentlastung vorgesehen werden.

In der Fig. 1 ist ferner eine Membran 18 aus elastischem Kunststoff gezeigt, welche bei der Anwendung des Temperatursensors zur Messung der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit als Zwischenschicht zwischen der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit und der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ausgebildet ist. Damit das von der Lichtquelle 13 stammende Licht ohne wesentliche Verluste der Lichtintensität auf die Flüssigkeitsschicht 11 einwirken kann, sollte die Membran 18 eine hohe Transparenz aufweisen. Durch die Elastizität der Membran kann der durch die Volumenänderung erzeugte Druck von der einen auf die andere Flüssigkeit, z. B. der Dilatationsdruck der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit auf die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit, übertragen werden. Eine solche Zwischenschicht 18 ist jedoch für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Temperatursensors nicht erforderlich. Falls dies gewünscht wird, kann die Zwischenschicht 18 weggelassen werden, so daß aufgrund einer dann erforderlichen Nichtmischbarkeit der lichtabsorbierenden Flüssigkeit in der Schicht 11 und der in Fig. 1 nicht gezeigten, mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ein Kontakt zwischen beiden Flüssigkeitsarten auch durch direktes Überschichten der Flüssigkeitsschicht 11 über der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zustande kommt.

In dem Mikrowellen-Temperatursensor können ferner Mittel vorgesehen sein, die eine Abschirmung des Lichtsignalweges gegenüber äußerer Lichteinwirkung (z. B. Tageslicht) gewährleisten, so daß lediglich das spezifische, aus der lichtabsorbierenden Flüssigkeit austretende Lichtsignal von der Licht-Meßeinrichtung empfangen wird.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensor 20 (die Lichteinstrahl- Einrichtung 13 sowie die Lichtsignal-Meßeinrichtung 15, 16 sind in diesem Ausschnitt nicht dargestellt), welcher gegenüber der Temperatursensoranordnung gemäß Fig. 1 so modifiziert ist, daß anstelle der Deckplatte 17 eine um das Steigrohr geformte zylindrische Hülse 19 ausgestaltet ist, die aus den gleichen Materialien wie die Deckplatte 17 sein kann. Diese schützt das Steigrohr 12 vor einem Abbrechen. Ferner kann die zylindrische Hülse 19 das Steigrohr 12 effektiv vor äußeren Lichtstrahlen abschirmen. Eine zylindrische Verlängerung 27 der Hülse 19 bildet eine Kammer bzw. ein Gefäß zur Aufnahme der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit.

In einer gemäß Fig. 2 gezeigten Ausführungsform kann auch eine Längsbohrung eines Zylinders an sich bereits als Steigrohr für die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit dienen, ohne daß ein zusätzliches Steigrohr erforderlich ist.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform 30 des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensors mit der Schicht 31 aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, einem Steigrohr 32, in die durch Kapillarkräfte die Flüssigkeit aus 31 angestiegen ist, eine Lampe 33 als Licht-Einstrahleinrichtung, eine Lichtleitfaser 34 sowie ein Lichtleitstecker 35 und ein Fotoelement 36 als Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals. Die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit aus 31 befindet sich in dieser Ausführungsform in einer kleinen Flüssigkeitskammer 37. Die Flüssigkeitskammer besteht geeigneterweise aus einem transparenten, Mikrowellen nicht absorbierenden Material, z. B. Glas.

In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors weist die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit 31 eine geringere Dichte als die zu bestimmende mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit auf, so daß beim Einsatz des Temperatursensors zur Messung der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit die Schicht 31 unter der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit liegt.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform 40 des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensors mit den bereits beschriebenen Einrichtungen der Flüssigkeitsschicht 41, dem Steigrohr 42, der Lichtleitfaser 44, dem Lichtleitstecker 45 und dem Fotoelement 46. Von der Deckplatte 47 aus ist eine Kammer bzw. ein Gefäß zur Aufnahme der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit ausgebildet. Als Einrichtung zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr dienen hier eine Laserstrahlquelle 43 und eine Lichtleitfaser 48 und ggf. optische Elemente 49, wie Linsen, Blenden und dergleichen, wobei das Ende der lichteinstrahlenden Lichtleitfaser vorzugsweise, wie gezeigt, an der unteren Oberfläche der Flüssigkeitsschicht 41 angebracht ist. Die Lichtleiteinrichtung 48, 49 kann jedoch auch bis in die Flüssigkeitsschicht 41 eingeführt sein, insbesondere bis unmittelbar unterhalb der Steigrohröffnung, um nur noch einen kleinen, für die Änderung der Steighöhe der Flüssigkeit 41 ausreichenden Spalt bestehen zu lassen. Damit wird erreicht, daß gebündeltes Licht hoher Intensität an das Steigrohr herangeführt und in das Steigrohr eingestrahlt wird, was zu einer höheren Meßempfindlichkeit führt.

In der Fig. 5 ist eine Mikrowellen-Temperatursensoranordnung 50 dargestellt, in der das Licht nicht wie vorstehend beschrieben entlang der Längsachse des Steigrohrs, sondern senkrecht zur Längsachse des Steigrohrs eingestrahlt wird. Hierzu wird seitlich zu einem transparenten Steigrohr 52 eine Licht-Einstrahleinrichtung 53, wie z. B. eine Lampe, angeordnet. Je nach Steighöhe der Flüssigkeit aus der Schicht der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit 51, welche in dem bereits bezeichneten Gefäß mit Deckschicht aufgenommen ist, fällt auf die einzelnen, seitlich des Steigrohrs 52 in vertikaler Richtung angeordneten Fotodiodenelemente 54a, 54b, . . . 54f eines Fotodiodenarrays entweder die maximal durch das Steigrohr durchlässige Lichtmenge, oder eine um die Lichtabsorption der im Steigrohr aufgestiegenen, lichtabsorbierenden Flüssigkeit 51 geminderte Lichtmenge, wenn einzelne Fotodiodenelemente, z. B. das Fotodiodenelement 54f, im Lichtschatten der Flüssigkeits- Steighöhe liegen. Die somit erfaßbare Steighöhe der Flüssig keit aus der Schicht 51, die einer bestimmten Temperatur in einer zu messenden mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit bei der Anwendung des Temperatursensors entspricht, wird von einer Elektrosignal-Meßeinheit 55 registriert, so daß eine Temperaturbestimmung ermöglicht wird. Die Anzahl der zu verwendenden Fotodiodenelemente des Fotodiodenarrays ist frei wählbar und kann sich nach der durch die Temperaturänderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zu erwartenden Änderung der Steighöhe richten. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensors, kann es sogar angebracht sein, nur ein, zwei oder drei Fotodiodenelemente zu verwenden, je nachdem, ob mit dem Temperatursensor lediglich eine, zwei oder drei Temperaturstufe(n) gemessen werden soll, wobei die Lage dieser einzelnen Fotodiodenelemente entlang des Steigrohrs 52 so gewählt werden müssen, daß der Lichtschatten infolge entsprechender Steighöhe und Lichtabsorption der Flüssigkeit 51 genau auf die einzelnen Fotodiodenelemente fällt, wenn diese bestimmte(n) Temperatur(en) in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit erreicht sind.

Anhand der Fig. 6 soll nun im folgenden ein Regelkreis zum Einstellen einer gewünschten Temperatur in einer mikrowellen absorbierenden Flüssigkeit gemäß vorliegender Erfindung erläu tert werden, in dem ein vorstehend beschriebener Temperatursensor integriert ist. Der Temperatursensor in Fig. 6 umfaßt die Schicht 611 aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, dem Steigrohr 612, der Lichtquelle 613 zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr, der Lichtleitfaser 614, dem Lichtleitstecker 615, dem lichtempfindlichen Element 616 sowie der zylindrischen Hülse 619, in welcher das Steigrohr 612 mittig durchgeleitet wird und welche die Schicht 611 mit einer Aussparung für das Steigrohr 612 nach oben hin abdeckt. Die Flüssigkeitsschicht 611 übersteht eine mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit 640 in direktem Kontakt, und zwar über deren gesamter Oberfläche. Die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit 640 ist in ein Flüssigkeitsgefäß 630 eingeführt, welches im unteren Teil zur unteren Spitze hin verengt ist. Das Gefäß 630 ist mit einem Schraubverschluß oder einer Kappe verschließbar. Ein solches Gefäß 630 ist unter der allgemeinen Bezeichnung Mikrozentrifugenröhrchen zur Aufnahme kleinerer Flüssigkeitsvolumina bekannt und weit verbreitet. Das durch Lichtabsorption der lichtabsorbierenden Flüssigkeit aus 611 hervorgerufene Lichtsignal wird durch das lichtempfindliche Element 616 in ein elektrisches Signal, das ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein kann, überführt, und anschließend wird das elektrische Signal an ein Steuerelement 620 weitergegeben. Das Steuerelement 620 steuert eine Mikrowellenquelle 621 in Abhängigkeit des vom lichtempfindlichen Element gemessenen und in ein elektrisches Signal umgewandelten Lichtsignals. Obwohl nicht gezeigt, sollten Einrichtungen vorgesehen sein, die eine Abschirmung der mikrowellenempfindlichen Elemente des Regelkreises, z. B. der Meßeinrichtung, des Steuerelementes oder der nachstehend bezeichneten Kühleinrichtung 622, erlauben. Solche Einrichtungen kann der Fachmann im Rahmen seines Könnens und je nach Wunsch ausgestalten.

Eine gewünschte Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit wird eingestellt, indem das Steuerelement 620 so lange einen Impuls an die Mikrowellenquelle 621 zum Abstrahlen von Mikrowellenstrahlung gibt, bis ein der gewünschten ein zustellenden Temperatur entsprechendes elektrisches Signal von dem lichtempfindlichen Element 616 an das Steuerelement 620 weitergegeben wird, wobei sich dieses elektrische Signal vom lichtempfindlichen Element 616 dadurch ergibt, daß durch die volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ein der jeweiligen Temperatur entsprechendes Lichtsignal an das Fotoelement 616, wie bereits beschrieben, abgibt. Wenn nach Einstellung der gewünschten Temperatur die Mikrowellenquelle zur Abstrahlung von Mikrowellenstrahlung vom Steuerelement 620 abgeschaltet wird und die Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit im folgenden wieder unter die gewünschte Einstelltemperatur absinkt, wird dies vom Steuerelement 620 durch Empfang eines der aktuellen Temperatur entsprechenden Lichtsignals bzw. elektrischen Signals registriert, und das Steuerelement 620 gibt der Mikrowellenquelle 621 von neuem einen Impuls zum Abstrahlen von Mikrowellenenergie. Dabei kann bei dem Steuerelement 620 eine bestimmte Toleranzschwelle voreingestellt werden, die sich daraus ergibt, daß eine bestimmte Temperaturabsenkung von gewünschtem Temperaturwert erfolgen kann, bevor das Steuerelement 620 die Mikrowellenquelle 621 wieder ansteuert.

In bestimmten Fällen, z. B. bei Anwendungen, in denen verschie dene Temperaturstufen durchlaufen werden, wie bei zyklisch wiederkehrenden Temperaturprogrammen, insbesondere bei Nucleinsäure-Amplifikationsansätzen, welche unten näher erläutert werden, kann es erforderlich oder erwünscht sein, in den Regelkreis ferner eine Einrichtung zum aktiven Kühlen der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zu integrieren. Eine solche Kühleinrichtung ist in Fig. 6 durch die Bezugszahl 622 dargestellt und wird durch das Steuerelement 620 je nach eingegebenem Programmablauf angesteuert. Das Kühlen kann durch herkömmliche Art und Weise erfolgen, z. B. durch eine Einrichtung zum Einblasen von Luft, die ggf. gekühlt ist, durch eine Einrichtung mit Kompressionskältemaschinen und Solekreislauf, durch Kühlung nach dem Gegenstromprinzip, durch Kühlung mit Peletierelement oder durch andere Mittel der Kältetechnik.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform bzw. Anwendung eines erfindungsgemäßen Regelkreises zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit. Der Regelkreis in dieser Ausführungsform umfaßt die bereits erläuterten Einrichtungen einer Schicht 711 aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, einem Steigrohr 712 in einer zylindrischen Hülse 719, einer zwischen Flüssigkeitsschicht 711 und mikrowellenabsorbierender Flüssig keit 740 angeordneten elastischen Membran, einer Licht-Ein strahleinrichtung mit einer Laserlichtquelle 713 und einer Lichtleitfaser 714, die die Laserstrahlen bis an die elasti sche Membran 718 heranführt, eine Lichtleitfaser 724 zum Lei ten des Lichtsignals über den Lichtleitstecker 725 auf das lichtempfindliche Element 726, welches ein entsprechendes elektrisches Signal an das Steuerelement 720 weiterleitet, so wie eine Mikrowellenquelle 721, welche von dem Steuerelement 720 gesteuert wird. Die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit, deren Temperatur mit dem Regelkreis eingestellt werden soll, ist in einem größeren Reaktionsbehälter 730 untergebracht, und aus Fig. 7 ist leicht ersichtlich, daß der Temperatursensor so angebracht ist, daß die Schicht 711 aus der lichtabsorbieren den Flüssigkeit, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit nur über einem Teil der Oberfläche der mikrowellenabsorbieren den Flüssigkeit 730 liegt. Damit bei einer solchen Anordnung der Dilatationsdruck der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit bei Mikrowelleneinwirkung besser auf die Flüssig keitsschicht 711 übertragen werden kann, kann sich ggf. vom unteren Ende der Flüssigkeitsschicht 711 bzw. von der elastischen Membran 718 ausgehend eine zylinderförmige (717a) oder kegelstumpfförmige (717b) Gefäßeinheit so nach unten in die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit 740 hinein erstrecken, daß sich in der Flüssigkeit 740 in einem unterhalb des Temperatursensors liegenden Bereichs eine Flüssigkeitskammer ausbildet, in der der nach oben gerichtete Druck der Flüssigkeit 740 nicht seitlich ausweichen kann, sondern auf die Flüssigkeitsschicht 711 gerichtet wird. Der Mikrowellen-Temperatursensor wird vorzugsweise in seiner Position in dem Behälter 730 arretiert, wie durch die Haltevorrichtung 716 schematisch gezeigt ist.

Nicht gezeigt sind wiederum Einrichtungen zur Abschirmung der mikrowellenempfindlichen Elemente des Regelkreises, die der Fachmann nach Wunsch ausgestalten kann.

Damit die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit durch das Ein wirken der Mikrowellenstrahlung gleichmäßig erhitzt wird, wer den vorzugsweise Einrichtungen bereitgestellt, die dazu die nen, daß die Mikrowellenquelle ein homogenes Mikrowellenfeld erzeugt. Ein gleichmäßiges Erhitzen der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit wird ggf. weiter dadurch unterstützt, insbesondere bei Anwendungen mit großen Volumina der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, daß Einrichtungen zum Rühren der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit vorgesehen sind, wie z. B. ein Rührer. Ferner wird bevorzugt, wie auch in den Fig. 6 und 7 dargestellt, daß die Mikrowellen von unten auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird. Dies kann insbesondere dann erwünscht sein, wenn, wie unten näher erläutert wird, in einem Mikrowellenofen, bei dem ein Regelkreis gemäß Fig. 6 eingesetzt wird, neben einem zur Temperaturmessung dienenden Referenzgefäß 630 weitere Gefäße eingebracht sind, welche zur Durchführung von Reaktionen dienen, so daß bei Einwirkung der Mikrowellenstrahlung von unten kein Gefäß im Strahlungsschatten eines anderen Gefäßes liegt, sondern alle Gefäße gleichmäßig bestrahlt werden.

Ferner kann es erwünscht sein, daß als Mikrowellenquelle eine gepulste Mikrowellenquelle verwendet wird. Durch eine inter vallabhängige Steuerung der Mikrowellenquelle kann nämlich ein "Überschießen" der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit über die gewünschte, einzustellende Temperatur leichter verhindert werden. Dieses "Überschießen" der Tempera tur kann insbesondere dadurch wirksam verhindert werden, daß die zeitlichen Intervalle der Strahlungsperioden verkürzt wer den, je näher die aktuelle Temperatur in der mikrowellenabsor bierenden Flüssigkeit sich an die gewünschte, einzustellende Temperatur annähert. Weitere Faktoren, die den Erwärmungsver lauf in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit beeinflussen, sind dem Fachmann geläufig, wie z. B. Art der mikrowellenab sorbierenden Flüssigkeit, Probenvolumen der mikrowellenabsor bierenden Flüssigkeit und Leistung sowie Frequenz der verwen deten Mikrowellenquelle, und diese Faktoren können so eingestellt werden, daß eine einzustellende Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit in der gewünschten Zeit erreicht wird.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursen sors bzw. des erfindungsgemäßen Regelkreises zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit muß der Temperatursensor zunächst geeicht werden, d. h. es muß ermittelt werden, welches aus der Schicht mit der lichtabsor bierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit aus tretende Lichtsignal, und demzufolge das aus dem Lichtsignal umgewandelte elektrische Signal, der in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit herrschenden Temperatur entspricht.

Zur Eichung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursen sors wird vorzugsweise so vorgegangen, daß der Mikrowellen- Temperatursensor in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssig keit gemäß einer Anordnung, wie sie der späteren Anwendung des Temperatursensors entspricht, z. B. in einer gemäß Fig. 6 oder Fig. 7 dargestellten Anordnung, eingereichtet wird, und daß als Erhitzungsquelle anstelle der Mikrowellenquelle eine konventionelle Vorrichtung zum Erhitzen einer Flüssigkeit, z. B. eine konventionelle Erhitzungsquelle, z. B. ein Ofen, verwendet wird. Die aktuelle Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit wird dann durch einen konventionellen Temperaturmeßfühler gemessen, woraufhin das mit den entsprechenden Einrichtungen des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensors ermittelte Lichtsignal (bzw. das entsprechende elektrische Signal) dieser konventionell einge stellten und gemessenen Temperatur zugeordnet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer durch Mi krowellenenergie einstellbaren Temperatur einer mikrowellenab sorbierenden Flüssigkeit wird durchgeführt, indem mindestens ein Teil der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mit einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssig keit über- oder unterschichtet wird, die über- oder unter schichtete, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit mit einem Steigrohr in Kontakt gebracht wird, und die Temperatur durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Licht menge bestimmt wird.

Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Temperatur-Bestimmungsver fahrens kann auch eine gewünschte, erhöhte Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit durch Mikrowellenstrah lung eingestellt werden, indem die Mikrowellenstrahlung so lange auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird, bis in dem mit der lichtabsorbierenden, Mikro wellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt gebrachten Steigrohr die Steighöhe der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit durch volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit so geändert wird, daß die durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmte Steighöhe der gewünschten erhöhten Tempe ratur entspricht.

Die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit kann mit der lichtab sorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit über- oder unterschichtet werden. Entweder ist das Steigrohr bereits mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt, während die entsprechenden Teile des oben erläuterten, erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensors in die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit eingebracht werden. Dies ist insbesondere dann eine bequeme Vorgehensweise, wenn in dem Mikrowellen- Temperatursensor eine elastische Membran (18 in Fig. 1 und 718 in Fig. 7) vorgesehen ist. Alternativ dazu kann, insbesondere in Fällen, bei denen kleine Probenvolumina für die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit in relativ kleinen Reaktionsgefäßen vorgelegt werden, wie z. B. in einem gemäß Fig. 6 dargestellten Fall, die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit zunächst direkt über bzw. unter die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit über- bzw. unterschichtet werden, und anschließend das Steigrohr bzw. die Kapillare mit der Schicht der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit durch entsprechendes Plazieren im Gefäß in Kontakt gebracht werden. Eine weitere Möglichkeit der Vorgehensweise besteht darin, daß eine Vorrichtung, welche das Steigrohr sowie ein Gefäß oder eine Kammer zur Aufnahme der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit aufweist, wobei diese Vorrichtung die Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit jedoch noch nicht enthält, z. B. einer Vorrichtung, wie sie den Fig. 2 bis 5 zu entnehmen ist, in ein Gefäß mit der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit eingebracht wird, und daß dann die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüs sigkeit in diese Vorrichtung eingebracht wird, z. B. durch Zu fuhr durch das Steigrohr oder durch Zuleitung durch eine son stige Zufuhrleitung, so daß schließlich die gewünschte Schicht der lichtabsorbierenden Flüssigkeit über oder unter der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit gebildet wird.

Die Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit wird durch das Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmt, wie oben im Zusammenhang mit dem erfin dungsgemäßen Temperatursensor beschrieben. Die Einrichtung zum Steuern einer Mikrowellenquelle in Abhängigkeit des gemessenen Lichtsignals im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelkreises er möglicht dann das Einwirken der Mikrowellenstrahlen auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit, bis die durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmte Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit der gewünschten erhöhten Temperatur entspricht. Die die Steighöhe der nicht Mikrowellen absorbierenden Flüssigkeit beeinflus sende volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit kann, wie bereits erläutert, in einer mit Temperaturerhöhung verbundenen Volumenvergrößerung (Dilatation) oder Volumenverkleinerung (Kontraktion bzw. Kompression) bestehen.

Die vorliegende Erfindung ist in allen Bereichen der Technik anwendbar, in denen die Temperatur einer Flüssigkeit durch Mi krowelleneinwirkung beeinflußt werden kann. Die Anwendung ei nes erfindungsgemäßen Regelkreises bzw. eines erfindungsgemä ßen Verfahrens zur Einstellung einer gewünschten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ist insbesondere dann sehr nützlich, wenn Verfahren durchgeführt werden, in denen zum Ablauf chemischer oder physikalisch-chemischer Pro zesse relativ rasche Temperaturänderungen erforderlich bzw. vorteilhaft sind. Dies gilt insbesondere für chemische oder physikalisch-chemische Prozesse, in denen zwei oder mehrere Temperaturstufen durchlaufen werden. Besonders vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung anwendbar in Prozessen mit zyklische wiederkehrenden Temperaturprogrammen. Solche Temperaturzyklen umfassen neben dem Einstellen und Halten einer gewünschten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ge mäß vorliegender Erfindung zusätzliche Schritte zur Absenkung der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, was auf herkömmliche Weise durch Kühlung, wie oben dargelegt, durchgeführt werden kann.

Ein besonderes Beispiel, in dem zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme angewandt werden, ist die Amplifikation von Nucleinsäure- bzw. Polynucleotidsequenzen. Diesbezüglich sei insbesondere die Polymerase-Kettenreaktion (engl. "polymerase chain reaction", PCR) erwähnt, welche ursprünglich offenbart ist in den US-Patentschriften Nr. 4 683 292 und Nr. 4 683 195 und weiter beschrieben ist beispielsweise in: H. A. Ehrlich, R. Gips und H. H. Kazazian: "Polymerase Chain Reaction", in "Current Communications in Molecular Biology", Cold Spring Harbor Laboratory Press (1988), sowie in: T. Maniatis et al., "Molecular Cloning. A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press (1988). In einem typischen PCR-Verfahren werden nach der Original-Templat-Denaturierung bei etwa 94°C für 90 Sekunden im allgemeinen etwa 25 Temperaturzyklen durchlaufen, wobei jeder Temperaturzyklus eine zweiminütige Inkubation bei 37°C zur Primeranbindung dem sogenannten "Annealing"), eine dreiminütige Inkubation bei 72°C zur Primerextension sowie eine einminütige Inkubation bei 94°C zur Denaturierung umfaßt.

Zur Durchführung einer gewünschten chemischen oder physika lisch-chemischen Reaktion, beispielsweise einer Polymersationsreaktion oder für einen Nucleinsäure- Amplifikationsansatz wie der PCR enthält die mikrowellen absorbierende Flüssigkeit, deren Temperatur erfindungsgemäß eingestellt bzw. gemessen werden kann, die für den jeweiligen Anwendungszweck erforderlichen Bestandteile zur Durchführung dieser chemischen oder physikalisch-chemischen Reaktionen, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Ferner kann selbstverständlich die Art der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Für Nukleinsäure- Amplifikationsansätze beispielsweise wird üblicherweise ein wäßriges Medium verwendet.

In Anwendungsfällen, bei denen kleine Probenvolumina der mi krowellenabsorbierenden Flüssigkeit, in der eine erwünschte chemische Reaktion ablaufen soll, und insbesondere dann, wenn mehrere Reaktionsansätze zur gleichzeitigen Durchführung einer Reaktion mit zyklisch wiederkehrendem Temperaturprogramm durchgeführt wird, wie bei der PCR, wird vorzugsweise ledig lich ein Reaktionsgefäß mit der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, in welcher die Bestandteile zur Durchführung der Reaktion weggelassen werden können, als Referenzeinrichtung zur Messung und Einstellung einer Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit angewandt, wie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt, während gleichzeitig eine oder mehrere Ansätze zur Durchführung der gewünschten chemischen Reaktion in dieser mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, welche jeweils die entsprechend erforderlichen Bestandteile zur Durchführung der Reaktion enthalten, in den Mikrowellenofen eingebracht werden, um diese Ansätze den gleichen Temperaturbedingungen wie der mikro wellenabsorbierenden Flüssigkeit in der Referenzeinrichtung durch Mikrowelleneinstrahlung und ggf. durch Kühlung zu unterwerfen. Hierzu liegen die Ansätze zur Durchführung der gewünschten Reaktion vorzugsweise in verglichen mit der Referenzeinrichtung gleichgeformten Reaktionsgefäßen und mit im wesentlichen gleichen Probenvolumina für die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit wie in der Referenzprobe vor. Ferner können die Probenflüssigkeiten zur Durchführung der chemischen oder physikalisch-chemischen Reaktion wie die Referenzprobe ebenfalls mit der Mikrowellen nicht ab sorbierenden Flüssigkeit (z. B. einem Öl) überschichtet werden, um Verdampfungs- bzw. Kondensationsphänomene zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für Probenflüssigkeiten mit kleinen Volumina, wie zum Beispiel bei Nukleinsäure- Amplifikationsreaktionen.

Die Erfindung wird anhand folgender Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1 Eichung des Temperatursensors

Ein Mikrowellentemperatursensor, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, wobei jedoch ein Steuerelement, eine Mikrowellenquelle und ein Kühlelement weggelasen wurden, wurde in einem Wasserbad zusammen mit einem konventionellen Quecksilber thermometer plaziert. Als mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit wurde Wasser, das gemäß Fig. 6 in einem Mikrozentrifugen röhrchen vorgelegt wurde, als lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit wurde ein mit "Sudan-3" gefärbtes Paraffinöl, und als Steigrohr wurde eine dünne Glaskapillare verwendet. Das Wasserbad wurde von unten mittels einer Wolframglühlampe beleuchtet, um Licht durch das Steigrohr hindurchtreten zu lassen. An ein Fotowiderstandselement war ein Digitalohmmeter angeschlossen, welches den aktuellen Widerstand des Fotowiderstandes anzeigte.

Nach schrittweiser Erwärmung der Wasserprobe in dem Mikrozentrifugenröhrchen durch das Wasserbad mittels konventioneller Erwärmung wurde durch Vergleich der Anzeige am Quecksilber-Thermometer mit der Anzeige am Ohmmeter im Bereich zwischen 24 und 56°C in 2°-Schritten jedem Temperaturwert ein Widerstandswert zugeordnet. Die ermittelten, sich entsprechenden Werte sind in Tabelle 1 angegeben.

Wie sich aus dem der Tabelle 1 zu entnehmenden Verlauf der Temperatur-Widerstandskurve ergibt, beträgt der durchschnittliche Anstieg des Widerstandes 2,3 Ohm pro°C.

Beispiel 2 Messung eines Temperaturverlaufs im Mikrowellenfeld

Die in Beispiel 1 beschriebene Anordnung des Mikrowellen temperatursensors wurde zur Bestimmung des Temperaturverlaufs in der Wasserprobe in einem Mikrowellenfeld nicht in einem Wasserbad, sondern in einem handelsüblichen Mikrowellenherd eingerichtet, wobei jedoch das Quecksilberthermometer entfernt wurde. Die Lichtleitfaser wurde durch eine 1,5 mm Bohrung aus der Mikrowellenabschirmung des Gerätes herausgeführt, und die Wasserprobe wurde von unten durch eine mit einem Lochgitter abgeschirmte Öffnung im Boden des Mikrowellengerätes durchleuchtet. Das Mikrowellengerät wurde bei 300 W Leistung betrieben. Der Widerstandsverlauf des Fotowiderstandes wurde über 60 Sekunden verfolgt, und aus der gemäß Tab. 1 erstellten Eichkurve wurde auf die Temperaturerhöhung der Wasserprobe rückgeschlossen.

Tabelle 1

Für die entsprechenden Mikrowellenstrahlungs-Einwirkzeiten ergaben sich die in Tab. 2 angegebenen Widerstandswerte und die daraus ermittelten Temperaturwerte.

Tabelle 2

Claims

1. Mikrowellen-Temperatursensor zur Messung der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, umfassend:

a) eine Schicht aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit,
b) ein Steigrohr, welches mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt steht,
c) eine Einrichtung zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr, und
d) eine Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals.

2. Mikrowellen-Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende, nicht Mikrowellen absorbierende Flüssigkeit ein farbmittelhaltiges Öl ist.

3. Mikrowellen-Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende, nicht Mikrowellen absorbierende Flüssigkeit eine Flüssigkeit ist, die eine nicht Mikrowellen absorbierende, chromophorenhaltige polymere Substanz enthält.

4. Mikrowellen-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr eine Glas-, Kunststoff- oder Keramikkapillare ist.

5. Mikrowellen-Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstrahlen von Licht das Licht entweder entlang der Längsachse oder senkrecht zur Längsachse des Steigrohrs einstrahlt.

6. Mikrowellen-Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstrahlen von Licht eine Laserlichtquelle und eine Lichtleitfaser umfaßt, wobei die Lichtleitfaser das Laserlicht an das Steigrohr heranführt.

7. Mikrowellen-Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals eine Lichtleitfaser und ein Fotoelement umfaßt.

8. Mikrowellen-Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals ein Fotodiodenarray umfaßt.

9. Regelkreis zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, umfassend:

a) einen Mikrowellen-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
b) Einrichtung zum Steuern einer Mikrowellenquelle in Abhängigkeit des gemessenen Lichtsignals.

10. Regelkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle ein im wesentlichen homogenes Mikrowellenfeld erzeugt.

11. Regelkreis nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle eine gepulste Mikrowellenquelle ist.

12. Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ferner eine Einrichtung zum Kühlen der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit umfaßt.

13. Verwendung des Regelkreises nach einem der Ansprüche 9 bis 12 für zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme.

14. Verwendung des Regelkreises nach einem der Ansprüche 9 bis 12 für einen Nukleinsäure-Amplifikationsansatz.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Nukleinsäure-Amplifikationsansatz eine Polymerase- Kettenreaktion ist.

16. Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mit den folgenden Schritten:

a) Über- oder Unterschichten mindestens eines Teils der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mit einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit,
b) Inkontaktbringen der über- oder unterschichteten, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit mit einem Steigrohr, und
c) Bestimmung der Temperatur durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge.

17. Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit mit einem mit dieser nicht mischbaren, farbmittelhaltigen Öl, Paraffin, Isoparaffin, Xylol, flüssigem Fett oder Mineralöl über- oder unterschichtet wird.

18. Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit mit einem mit dieser nicht mischbaren Flüssigkeit über- oder unterschichtet wird, die eine nicht Mikrowellen absorbierende, chromophorenhaltige polymere Substanz enthält.

19. Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Steigrohr eine Glas-, Kunststoff- oder Keramikkapillare verwendet wird.

20. Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mittels Mikrowellenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit mindestens teilweise mit einer Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit über- oder unterschichtet wird und die Mikrowellenstrahlung so lange auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird, bis in einem mit der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt gebrachten Steigrohr die Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit durch volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüsssigkeit so geändert wird, daß die durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmte Steighöhe der gewünschten erhöhten Temperatur entspricht.

21. Verfahren zum Einstellen einer erhöhten Temperatur nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen von unten auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird.

22. Verfahren zum Einstellen einer erhöhten Temperatur nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenstrahlung gepulst einwirken gelassen wird.