DE60119050T2

DE60119050T2 - Wellenlängenabtastendes photometer mit einem transmissionsinterferenzfilter

Info

Publication number: DE60119050T2
Application number: DE60119050T
Authority: DE
Inventors: Atsuo Hino-shi Watanabe
Original assignee: Watanabe Atsuo Hino
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: US20020190211A1; US6747276B2; EP1184662A1; WO2001063249A1; EP1184662A4; EP1184662B1; DE60119050D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine praktische, billige Analysenvorrichtung für die Bestimmung der Konzentration einer interessierenden Komponente in einer Probe ohne Störung durch daneben anwesende Komponenten, wobei die Bestimmung durch Lichtabsorption der interessierenden Komponente erfolgt.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine praktische, billige Analysenvorrichtung, die durch das folgende Verfahren verwirklicht werden kann:
Herstellung eines Interferenzfilters, der ein Mittel zum periodischen Scannen der Transmissionswellenlänge aufweist;
Detektion der Intensitätsänderung desjenigen Lichts, dessen Wellenlänge durch das Interferenzfilter gescannt wird und das durch die Probe transmittiert;
Bestimmung der Konzentration der interessierenden Komponente durch Untersuchung der Periode des detektierten elektrischen Signals.
Hintergrund der Erfindung
Es ist allgemein üblich durch Lichtabsorption einer interessierenden Komponente in einer Probe diese interessierende Komponente zu detektieren oder deren Konzentration zu bestimmen. Die einfachste Methode besteht in der Messung der Intensitätsänderung von monochromatischen Licht, das durch die Probe transmittiert, in der die interessierende Komponente, welche das monochromatische Licht absorbiert, enthalten ist. So ist beispielsweise ein UV- Absorptionsphotometer zur Überwachung der Wasserqualität gut bekannt. Dieses Photometer nutzt die Erscheinung aus, dass organischer Abfall in Wasser Licht der Wellenlänge 253,7 nm aus einer Quecksilberlampe absorbiert. Das Photometer besteht aus einer Lichtquelle, einer Probenzelle, einem Detektor und einem Verstärker. Bei Anwendung dieser Methode, die als Einstrahlmethode bezeichnet wird, haben wir oftmals fehlerhafte Messungen vorgenommen, weil ein durch eine Intensitätsänderung der Lichtquelle verursachter Störwert nicht von dem durch Lichtabsorption des organischen Abfalls hervorgerufenen Messwert unterschieden werden kann.
Es existiert eine so genannte Zweistrahlmethode, welche diesen Fehler der Einstrahlmethode behebt. Bei dieser Zweistrahlmethode wird ein von der Lichtquelle ausgehender Strahl in zwei Strahlen aufgespalten, nämlich in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl, wobei ein Messwert aus der Differenz oder dem Verhältnis der Intensitäten dieser Strahlen erhalten wird. Das bedeutet, dass die Intensitätsänderung des Messstrahls mit Hilfe der Intensität des Referenzstrahls normiert wird. Bei Anwendung der Zweistrahlmethode beeinflusst eine Intensitätsänderung der Lichtquelle die Messresultate nicht.
Die Zweiwellenlängenspektroskopie ist eine weitere Methode, Messresultate nicht durch Intensitätsänderungen der Lichtquelle zu beeinflussen. Bei dieser Methode werden zwei verschiedene monochromatische Strahlen alternierend durch die Probe transmittiert oder von der Probe reflektiert. Die Absorptionsintensität der interessierenden Komponente in der Probe wird durch Messung der Differenz oder des Verhältnisses dieser Intensitäten bestimmt. Die Wellenlänge des als Referenz verwendeten monochromatischen Strahls wird so gewählt, dass sie sich von der Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente unterscheidet. Die Wellenlänge des anderen zur Messung verwendeten monochromatischen Strahls ist gleich der Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente. Die Intensitätsänderung des zur Messung verwendeten monochromatischen Strahls wird durch die Intensität des als Referenz verwendeten monochromatischen Strahls normiert. Aus diesem Grund weist diese Methode keinen durch eine Intensitätsänderung der Lichtquelle verursachten Messfehler auf.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung zu entwickeln, welche wie die Zweiwellenlängenspektroskopie keinen durch eine Intensitätsänderung der Lichtquelle verursachten Messfehler aufweist. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Art der Zweiwellenlängenspektroskopie wird anhand der 1 erläutert werden.
Die 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Filterkorrelationsinfrarotanalysators, wobei der von einer Infrarotquelle 101 abgestrahlte Infrarotstrahl 121 durch eine Probenzelle 102 transmittiert. Der Infrarotstrahl nach Transmission 122 läuft weiter zu einem Modulator 103. Bei der Probenzelle 102 handelt es sich um ein Rohr, das für Infrarotstrahlung durchlässige Fenster an beiden Enden aufweist. Außerdem sind nahe den Enden des Rohres ein Einlass und ein Auslass vorgesehen. Eine sich in einem Probengasstrom befindende interessierende Komponente absorbiert Infrarotstrahlung einer spezifischen Wellenlänge. Dem Infrarotstrahl nach Transmission 122 fehlt Energie bei dieser spezifischen Wellenlänge. Bei dem Modulator 103 handelt es sich um eine rotierende Scheibe mit eingebauten Filtern. Einer dieser Filter ist ein Messfilter 104, dessen Wellenlänge mit maximaler Transmission gleich der spezifischen Wellenlänge ist, die von der interessierenden Komponente absorbiert wird. Bei dem anderen Filter handelt es sich um einen Referenzfilter 105, dessen Wellenlänge mit maximaler Transmission sich von dieser spezifischen Wellenlänge unterscheidet. Durch Drehung des Modulators kreuzen die beiden Filter den Infrarotstrahl nach Transmission 122 periodisch. Der Infrarotstrahl nach Transmission 122 wird moduliert wenn der Strahl alternierend durch den Messfilter 104 und den Referenzfilter 105 transmittiert. Der modulierte Infrarotstrahl 123 wird durch eine Fokusierlinse 107 auf einen Infrarotsensor 108 fokusiert und als elektrisches Signal detektiert. Das detektierte elektrische Signal wird durch einen Vorverstärker 110 verstärkt und in einen Synchrongleichrichter 111 gespeist. Auf der anderen Seite detektiert ein Synchronsignaldetektor 106 das synchrone Signal des Modulators und speist das synchrone Signal in einen Phaseneinsteller 109. Der Phaseneinsteller gleicht das synchrone Signal ab und speist das Signal in den Synchrongleichrichter 111. Der Synchrongleichrichter 111 richtet das elektrische Signal gleich und synchronisiert es mit dem Synchronsignal. Dadurch wird ein Messsignal erhalten, das der Konzentration der interessierenden Komponente in der Probe entspricht.
Bei genauerer Betrachtung enthält die gasförmige oder flüssige Probe eine Vielzahl von Komponenten, die neben der interessierenden Komponente anwesend sind. Einige dieser Komponenten stören bei der Analyse der interessierenden Komponente wie zum Beispiel Wasserdampf im Fall der Analyse von Stickstoffmonoxid in Rauchgas und Wasser oder auch Elektrolyte in Wasser im Fall der Analyse von in Wasser gelöster Glucose.
Details über die Art der Störung durch die neben der interessierenden Komponente vorliegenden Komponenten werden mit Hilfe der 2 erläutert. Ein Spektrum der störenden Komponenten 152 hat bei einer Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente 153 zwar keinen Peak, ein Ausläufer überlagert aber diesen Bereich. Sogar in dem Fall, dass die Steigung dieses Ausläufers klein ist, verursacht ein solcher Ausläufer häufig Analysenergebnisse mit schweren Fehlern im Hinblick auf die Zunahme der Konzentration der störenden Komponenten. Die Zweiwellenlängenspektroskopie ist oftmals mit dem Problem behaftet, dass die Ausläufer des Spektrums der störenden Komponenten sogar dann Analysenresultate mit schweren Fehlern verursachen, wenn die Referenzwellenlänge 154 nahe der Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente 153 gewählt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Analysenvorrichtung, welche die Störung durch die Ausläufer des Spektrums der störenden Komponenten beseitigt und die die exakte Konzentration der interessierenden Komponente unter Anwendung der Lichtabsorption der interessierenden Komponente bestimmt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine praktische, billige Analysenvorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe nicht-destruktive Messungen und nicht-invasive Messungen an einer Person durchgeführt werden können.
Es war bereits bekannt durch wirkungsvolle Anwendung des Scannens der Wellenlänge eine interessierende Komponente zu bestimmen. Gemäß US 4090792 wird die Wellenlänge auf eine Art gescannt, bei der ein Interferenzverlauffilter eine oszillierende Bewegung ausführt, das heißt, das Interferenzverlauffilter oszilliert senkrecht zur optischen Achse und in Richtung seiner Wellenlängenänderung. In anderen Fällen erfolgt das Scannen der Wellenlänge durch Neigen der Senkrechten des Interferenzfilters zur optischen Achse. Die durch einen Infrarotsensor detektierten Signale sind periodische Funktionen in den Koordinaten "Amplitude" und "Phase", welche der Volt-Achse und der Zeit-Achse in der beigefügten 4 entsprechen. Änderungen der Signale, die durch eine Infrarotabsorption der interessierenden Komponente verursacht werden, beeinflussen nicht nur die Amplitude sondern auch die Phase. Das bedeutet, dass die beiden Variablen "Amplitude" und "Phase" eine Information zur Bestimmung der interessierenden Komponente beinhalten. Der gesamte Stand der Technik verwendet die in der Amplitude enthaltene Information zur Bestimmung der interessierenden Komponente. Die eine Amplituden-Information enthaltenden detektierten Signale werden durch Synchronisation der Signale mit einer Modulationsfrequenz aufbereitet. Im Einzelnen wird im Fall der US 4090792 ein phasensynchroner Gleichrichter und im Fall der US 4590374 ein synchroner Detektor verwendet. Im Fall der EP 0510856 wird zur Aufbereitung der Signale das Ausgangssignal eines Schrittmotors bereitgestellt, welches der Rotationsfrequenz des Interferenzfilters entspricht.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter für die Bestimmung der Konzentration einer interessierenden Komponente in einer Probe bereit, umfassend
eine Lichtquelle;
ein Interferenzfilter mit Mittel zum periodischen Scannen der Transmissionswellenlänge; und einen Infrarotsensor,
wobei das Photometer so eingerichtet ist, dass es den Bereich, in dem die Transmissionswellenlänge gescannt wird, so einstellt, dass die mittlere Wellenlänge des gescannten Bereichs gleich einer Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente ist, und wobei ein Lichtstrahl von der Lichtquelle, nachdem er durch das Interferenzfilter transmittiert und nachdem er durch die Probe transmittiert oder von der Probe reflektiert wurde, wobei sich die Probe vor oder hinter dem Interferenzfilter befindet, durch den Infrarotsensor als ein elektrisches Signal detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Photometer außerdem einen Nulldurchgangsdetektor umfasst, der dazu eingerichtet ist eine volle Periode T (Zeit für jeden zweiten Nulldurchgang) der AC-Komponente des von dem Infrarotsensor bereitgestellten elektrischen Signals und eine Halbperiode T₁ (Zeit für jeden Nulldurchgang) der AC-Komponente herauszunehmen und dass das Photometer zur Bestimmung der Konzentration der interessierenden Komponente aus dem Verhältnis (T – 2T₁)/T eingerichtet ist.
Das Photometer gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Konzentration einer interessierenden Komponente in einer Probe ohne Störung durch die daneben anwesenden Komponenten durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten bestimmen.
Bestimmung des Bereichs, in dem die Transmissionswellenlänge des Interferenzfilters gescannt wird, derart, dass der Mittelpunkt der kleinen Änderung der Wellenlänge, die durch das periodische Scannen der Transmissionswellenlänge verursacht wird, gleich der Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente ist;
Detektion der Intensität des Lichtstrahls von der Lichtquelle als elektrisches Signal mit Hilfe des Infrarotsensors, in den der Lichtstrahl geleitet wird, nachdem er durch das Interferenzfilter transmittiert und nachdem der Lichtstrahl durch die Probe transmittiert oder von der Probe reflektiert wurde, wobei sich die Probe vor oder hinter dem Interferenzfilter befindet;
Erhalten einer vollen Periode T (Zeit für jeden zweiten Nulldurchgang) der AC-Komponente und einer Halbperiode T₁ (Zeit zwischen Anstieg und Abfall des Nulldurchgangs) der AC-Komponente, das der Nulldurchgangsdetektor aus der AC-Komponente des elektrischen Signals herausnimmt;
Bestimmung der Konzentration der interessierenden Komponente durch Berechnung des Verhältnisses (T – 2T₁)/T.
Nebenbei bemerkt sind einige Verfahren zum Scannen der Transmissionswellenlänge des Interferenzfilters gut bekannt. In einem Verfahren wird die Transmissionswellenlänge dadurch gescannt, dass der Brechungsindex einer mit Gas gefüllten Abstandsschicht durch Erhöhung und Verminderung des Gasdrucks verändert wird, und gleichzeitig der Abstand zwischen den Metallschichten konstant gehalten wird. In einem anderen Verfahren wird der Abstand zwischen den Metallschichten verändert und dadurch die Transmissionswellenlänge gescannt. Gemäß einem weiteren Verfahren, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wird die Transmissionswellenlänge dadurch gescannt, dass die Normale des Interferenzfilters relativ zur optischen Achse geneigt wird. Die beste Art, auf die die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann, besteht in einem Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter, wobei die Transmissionswellenlänge durch periodisches Schwingen des Interferenzfilters gescannt wird, indem die Normale des Interferenzfilters relativ zur optischen Achse geneigt wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Filterkorrelationsinfrarotanalysators als ein Beispiel des Standes der Technik.
2 zeigt ein Spektrogramm, in dem die Beziehung zwischen einem Spektrum einer interessierenden Komponente und einem Spektrum störender Komponenten dargestellt ist.
3 zeigt ein Spektrogramm, in dem Spektren eines Interferenzfilters dargestellt sind, dessen Normale relativ zur optischen Achse geneigt ist;
4 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen einem von einer interessierenden Komponente hervorgerufenen elektrischen Signal und einem von störenden Komponenten hervorgerufenen elektrischen Signal zeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform eines Transmissionswellenlängen-Scanningphotometers mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Skizze, die ein optisches Probeentnahmesystem zeigt, durch das ein optisches Signal von einer menschlichen Lippe erhalten wird, welches die Konzentration von Glukose im Blut wiedergibt.
7 ist ein Spektrogramm der Hauptkomponenten, aus denen sich eine Probe eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zusammensetzt.
8 ist eine Korrelationsdarstellung der Messwerte der Glukosekonzentration im menschlichen Blut, die von einem Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung und von einem kommerziellen Glukose-Messgerät gemessen wurden.
Die Bezugszeichen in den Zeichnungen sind nachfolgend dargestellt.

1: Lichtquelle
2: Durchlassfilter für große Wellenlängen
3: Interferenzfilter
4: Achse
5: S-Pole
6: N-Pole
7: aktive Spule
8: Linse
9: Quarzstab
10: Probe
11: Infrarotsensor
12: Oszillationsschaltkreis
13: Vorverstärker
14: Wechselstromverstärker
15: Nulldurchgangsdetektor
16: Mikroprozessor
17: Anzeigemittel
18: Tastatur
19: Kommunikationsschnittstelle
31: Quarzstab
32: Kopfteil
33: Infrarotsensor
34: menschliche Lippe
35: Saugpumpe
36: Saugdruckregler
101: Infrarotquelle
102: Probenzelle
103: Modulator
104: Messfilter
105: Referenzfilter
106: synchroner Signaldetektor
107: Fokusierlinse
108: Infrarotsensor
109: Phaseneinsteller
110: Vorverstärker
111: Synchrongleichrichter
151: Spektrum einer interessierenden Komponente
152: Spektrum einer störenden Komponente
153: Absorptionswellenlänge einer interessierenden
: Komponente
154: Referenzwellenlänge
161: Grenze zu kurzen Wellenlängen
162: Grenze zu großen Wellenlängen
163: Grenze zu hoher Transmission
164: Grenze zu niedriger Transmission
165: Transmission bei Anwesenheit einer interessierenden
: Komponente
166: Transmission bei Abwesenheit einer interessierenden
: Komponente
181: durch störende Komponenten hervorgerufenes Signal
182: durch eine interessierende Komponente hervorgerufenes
: Signal
183: tatsächlich beobachtetes Signal

Am meisten bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird sich im Detail auf die bevorzugte Ausführungsform des Transmissionswellenlängen-Scanningphotometers mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung und das Prinzip der Bestimmung der Konzentration einer interessierenden Komponente bezogen wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Interferenzfilter periodisch in Schwingung versetzt, um die Normale des Interferenzfilters relativ zur optischen Achse zu neigen. Dadurch wird die Wellenlänge des Transmissionspeaks des Interferenzfilters in einem engen Bereich um eine Absorptionswellenlänge einer interessierenden Komponente 153 in einer Probe zwischen einer Grenze zu kurzen Wellenlängen 161 und einer Grenze zu langen Wellenlängen 162, wie in 2 gezeigt, gescannt.
Es ist bekannt, dass die Transmissionswellenlänge durch Neigen der Normalen des Interferenzfilters relativ zur optischen Achse verändert wird. In der 3 sind experimentelle Spektren 171, 172 und 173 eines Interferenzfilters dargestellt, der um einen Winkel von 15, 20 und 25 Grad zwischen seiner Normalen und der optischen Achse geneigt ist. Die maximalen Transmissionswellenlängen betragen 2289 nm, 2273 nm beziehungsweise 2257 nm. (Die Skala der horizontalen Achse aller Spektrogramme läuft linear mit der Wellenzahl aber alle numerischen Ausdrücke wurden zur konsistenten Beschreibung in Wellenlängen umgerechnet.)
Die Transmission, die beobachtet wird, nachdem der Lichtstrahl durch die Probe transmittiert ist, weist ein Spektrum störender Komponenten auf. Durch die Änderung der maximalen Transmissionswellenlänge von der Grenze zu kurzen Wellenlängen 161 bei einem Winkel von 25 Grad bis zu der Grenze zu langen Wellenlängen 162 bei einem Winkel von 15 Grad variiert die Transmission wie in 2 gezeigt periodisch von einer Grenze hoher Transmission 163 zu einer Grenze geringer Transmission 164. Durch einen Infrarotsensor wird ein elektrisches Signal detektiert, das proportional zu der Intensität des Lichtstrahls ist, der durch die Probe transmittiert. Das elektrische Signal wird periodisch variiert wie ein elektrisches Signal, das auf die störende Komponente 181 gemäß 4 zurückzuführen ist. Es wird hiermit definiert, dass das auf die störende Komponente 181 zurückzuführende elektrische Signal seinen maximalen Wert zum Positiven annimmt, wenn der Winkel 25 Grad beträgt, das heißt bei der Grenze zu hoher Transmission 163, und seinen mini malen Wert zum Negativen, wenn der Winkel 15 Grad beträgt, das heißt bei der Grenze zu niedriger Transmission 164.
Nachfolgend wird erläutert, was passiert, wenn die Konzentration der interessierenden Komponente in der Probe erhöht wird. Bei einer Vermehrung der interessierenden Komponente wird das Spektrum der interessierenden Komponente 151 gemäß 2 vergrößert. Bei einer Vergrößerung des Spektrums 151 nimmt die Transmission bei der Wellenlänge am Mittelpunkt des Winkels zwischen 15 und 25 Grad von einer Transmission bei Abwesenheit der interessierenden Komponente 165 zu einer Transmission bei Anwesenheit der interessierenden Komponente 166 ab. Bei Abnahme der Transmission überlagert sich das elektrische Signal, das auf die interessierende Komponente gemäß 4 zurückzuführen ist, mit dem elektrischen Signal, das auf die störenden Komponenten 181 zurückzuführen ist. Dieses elektrische Signal 182 weist negative Peaks auf, wenn sich das auf die störenden Komponenten 181 zurückzuführende elektrische Signal in der Mitte zwischen Maximum und Minimum befindet. Nach Vermehrung der interessierenden Komponente ist das tatsächlich beobachtete Signal 183 ein artifizielles elektrisches Signal, das sich als Summe des auf die störenden Komponenten 181 zurückzuführenden elektrischen Signals und des auf die interessierende Komponente zurückzuführenden elektrischen Signals 182 darstellt. Die Information, die man erhalten muss, besteht in der Amplitude des elektrischen Signals, das auf die interessierende Komponente 182 zurückzuführen ist.
Im Folgenden wird näher erläutert, wie die Information über die Amplitude des elektrischen Signals, das auf die interessierende Komponente 182 zurückzuführen ist, aus dem tatsächlich beobachteten Signal 183 gewonnen werden kann. Das starke elektrische Signal, das auf die störenden Komponenten zurückzuführen ist, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, F = Asinωtwobei F für das elektrische Signal steht, das auf die störenden Komponenten zurückzuführen ist, A dessen Amplitude darstellt und ω die Winkelfrequenz bedeutet, die durch die Gleichung ω = 2π/T ausgedrückt werden kann, wobei T eine volle Periode ist. Da das auf die interessierende Komponente zurückzuführende elektrische Signal deutlich kleiner ist als das elektrische Signal F, kann eine Änderung des elektrischen Signals F wegen der Überlagerung mit dem auf die interessierende Komponente zurückzuführenden elektrischen Signal nur schwer beobachtet werden. Richtet man die Aufmerksamkeit aber auf die Nulldurchgangspunkte, bei denen es sich um Punkte handelt, an denen das elektrische Signal F gleich Null ist, so hinterlässt eine Zunahme der Amplitude des auf die interessierende Komponente zurückzuführenden elektrischen Signals das elektrische Signal F an Nulldurchgangspunkten als eine Variation von (1/2)ε, wobei ε eine Amplitude des auf die interessierende Komponente zurückzuführenden elektrischen Signals 182 darstellt.
In diesem Fall können Zeitverschiebungen an Nulldurchgangspunkten abgeschätzt werden, wenn das elektrische Signal F an Nulldurchgangspunkten als eine Variation von (1/2)ε gegeben ist. Die Ableitung des elektrische Signal F wird gemäß der nachfolgenden Gleichung gebildet, um auf diese Weise Steigungen des elektrischen Signals F an den Nulldurchgangspunkten zu erhalten. dF/dt = Aωcosωt
Die Steigungen für die Phasen ωt = π und 2π ergeben sich zu –2πA/T und 2πA/T. Stellt sich das elektrische Signal F an den Nulldurchgangspunkten als Variation von (1/2)ε dar, so ergeben sich die Zeitverschiebungen des elektrischen Signals F an den Nulldurchgangspunkten zu εT/(4πA) beschleunigt bei einer Phase von ωt = π und zu εT/(4πA) verlangsamt bei einer Phase von ωt = 2π. Eine Zeitdifferenz zwischen einer verlängerten Halbperiode T₂ und einer verkürzten Halbperiode T₁ des tatsächlich beobachteten Signals 183 wird wie nachfolgend gezeigt durch die oben angegebene Näherung erhalten. T2 – T1 = εT/(πA)
Das Verhältnis der Zeitdifferenz zu einer vollen Periode ergibt sich zu (T₂ – T₁)/T = ε/(πA). Dieses Ergebnis zeigt, dass das Verhältnis proportional zu der Amplitude ε des elektrischen Signals ist, das auf die interessierende Komponente 182 zurückzuführen ist. Diese Überlegung zeigt, dass es möglich ist, die Konzentration der interessierenden Komponente ohne Störung durch daneben vorliegende Komponenten durch Bestimmung der vollen Periode (T) und der einen Halbperiode T₁ zu ermitteln, da die andere Halbperiode T₂ als Differenz der vollen Periode T und der einen Halbperiode T₁ berechnet werden kann.
Der Aufbau des Transmissionswellenlängen-Scanningphotometers mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 5 erläutert. In 5 sind zwei separate Teile dargestellt, nämlich ein Diagramm des optischen Layouts und ein Blockdiagramm von elektrischen Schaltkreisen. In der 5 werden kürzere Wellenlängen des Lichtstrahls einer Lichtquelle 1 durch einen Durchlassfilter 2 für lange Wellenlängen abgeschnitten. Längere Wellenlängen des Lichtstrahls gehen durch den Filter hindurch und laufen weiter zu einem Interferenzfilter 3. Das Interferenzfilter 3 wird durch die aktiven Spulen 7 fixiert und kann um eine zentrale Achse 4 schwingen. S-Pole 5 und N-Pole 6 eines Magnets sind an beiden Seiten der Wicklungen der aktiven Spulen 7 angebracht. Bei Einspeisung eines Wechselstroms in die aktiven Spulen 7 beginnt das Interferenzfilter um die zentrale Achse 4 zu schwingen. Der Winkel zwischen der Normalen des Interferenzfilters und der optischen Achse wird anfänglich auf einen Winkel von 20 Grad gesetzt, so dass sich der Winkel durch das Schwingen innerhalb der Winkel von 15 bis 25 Grad ändert.
Der durch das Schwingen des Interferenzfilters modulierte Lichtstrahl wird durch eine Linse 8 auf eine Oberfläche am Ende eines Quarzstabes 9 fokusiert. Der Quarzstab 9 leitet den Lichtstrahl in die Nähe einer Probe 10, während der Lichtstrahl von einer Oberfläche am anderen Ende des Quarzstabes die Probe 10 beleuchtet. Ein Teil des Lichtstrahls, der von der Oberfläche der Probe reflektiert wird, wird in einen Infrarotsensor 11 geleitet. Der durch das Schwingen des Interferenzfilters modulierte und von der Probe 10 reflektierte Lichtstrahl wird durch den Infrarotsensor 11 als ein elektrisches Signal detektiert. Das elektrische Signal wird zu dem Teil mit den elektrischen Schaltkreisen geleitet.
In dem Teil mit den elektrischen Schaltkreisen ist ein Schwingkreis 12 vorgesehen, der die aktiven Spulen 7 mit einem Wechselstrom versorgt, wodurch das Interferenzfilter 3 zum Schwingen gebracht wird. Es ist von äußerster Wichtigkeit, das Schwingen des Interferenzfilters stabil zu halten, weil das durch den Wechselstrom erzwungene Schwingen des Interferenzfilters den Ursprung aller Signale darstellt. Aus diesem Grund wird ein Regelungssystem verwendet, das die Energie, die das Interferenzfilter in Schwingung versetzt, konstant hält. Dabei wird die Geschwindigkeit der Schwingung gemessen, indem an die gleiche Position, an der sich die aktiven Spulen befinden, Messspulen gesetzt werden. Das elektrische Signal, das in dem optischen System hervorgerufen und von dem Infrarotsensor 11 detektiert wird, wird durch den Vorverstärker 13 verstärkt. Die AC-Komponente des elektrischen Signals wird durch einen anderen Verstärker 14 verstärkt und in einen Nulldurchgangsdetektor 15 eingespeist, welcher eine Grundfrequenz aufweist, die durch die Schwingungsfrequenz des Interferenzfilters festgelegt wird. Der Nulldurchgangsdetektor erzeugt ein Unterbrechungssignal, das dem Mikroprozessor 16 die Zeiten mitteilt, zu denen ansteigende oder abfallende elektrische Signale einen Nulldurchgang aufweisen. Der Mikroprozessor 16 hält die Zeit eines jeden Nulldurchgangs mit Hilfe einer internen Uhr fest. Die volle Periode T wird als die Zeit zwischen einem ansteigenden Nulldurchgang und dem nächsten ansteigenden Nulldurchgang erhalten. Die halbe Periode T₁ wird als die Zeit zwischen dem ansteigenden Nulldurchgang und dem fallenden Nulldurchgang erhalten. Nachdem Daten über einen bestimmten Integrationszeitraum gewonnen wurden, wird durch Subtraktion des zweifachen Wertes einer integrierten Halbperiode ΣT₁ von einer integrierten vollen Periode ΣT und Division der Differenz durch die integrierte volle Periode ΣT ein Rest erhalten. Dieses Verhältnis wird hier als Verzerrungsfaktor definiert. Nach Kalibrierung der Konzentration einer interessierenden Komponente (beispielsweise die Glukosekonzentration im Blut für das Glukosemessgerät) unter Verwendung der Verzerrungsfaktoren wird die Konzentration der interessierenden Komponente durch den Verzerrungsfaktor bestimmt und der Wert der Konzentration angezeigt und übermittelt. Eine Anzeigevorrichtung 17, die den Wert der Konzentration usw. anzeigt, eine Tastatur, mit dessen Hilfe die Vorrichtung betrieben wird, und eine Kommunikationsschnittstelle 19, durch die eine Vielzahl von Informationen einschließlich der Messwerte mitgeteilt werden kann, sind zusammen mit dem Mikroprozessor montiert.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, das der Bestimmung der Konzentration von Glukose im Blut dient.
Die menschliche Lippe besitzt eine Anhäufung von Kapillarblutgefäßen unter der ganz außen liegenden Haut und die roten Lippen sind für das nackte Auge sichtbar. Das Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmung der Glukose-Konzentration im Blut durch diffuse Reflexion an dieser Oberfläche verwendet. Ein optisches Aufnahmesystem ist in der 6 gezeigt. Der Quarzstab 31 stellt das gleiche Teil dar wie das Teil 9 in der 5. Der Kopf 32 hält den Quarzstab, welcher den Lichtstrahl zu der menschlichen Lippe 34 leitet. Ein Infrarotsensor 33 detektiert das von der menschlichen Lippe 34 reflektierte Licht. Eine Saugpumpe 35 mit einem Saugdruckregler 36 saugt einen Hohlraum zwischen der menschlichen Lippe 34 und dem Infrarotsensor 33, wodurch die Oberfläche der menschlichen Lippe 34 an dem Kopf 32 anliegt.
Die 7 zeigt Spektren der Hauptbestandteile von Blut, wobei das Spektrum von Wasser mit A, das Spektrum von Blut nach Entfernen des Wassers aus dem Blut mit B und ein Differenzspektrum von Glukose in Wasser, das durch Subtraktion des Spektrums von Wasser erhalten wird, mit C bezeichnet ist.
Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist so gestaltet, dass eine Änderung der Transmission der Glukose bei einer Wellenlänge von 2273 nm (mit "41" bezeichnete Position) zur Bestimmung der Konzentration von Glukose in Blut gewählt wird. Die maximale Transmissionswellenlänge des Interferenzfilters ändert sich von 2289 nm (mit "42" bezeichnete Position) bis zu 2258 nm (mit "43" bezeichnete Position) und besitzt einen Mittelpunkt bei 2273 nm. Weitere Spezifikationen des instrumentellen Aufbaus sind nachfolgen dargestellt.
Spezifikationen des instrumentellen Aufbaus

Frequenz der Schwingung des Interferenzfilters: 150 Hz
Quarzstab: äußerer Durchmesser 1,5 mm; Länge 160 mm
Zeitschaltuhr für die Messperiode: 8 MHz
Datenintegrationszeitraum: 300 Sekunden
Uhr des Mikroprozessors: 8 MHz

In Abhängigkeit von den obigen Spezifikationen für den instrumentellen Aufbau wurde versuchsweise ein Prototyp des Transmissionswellenlängen-Scanningphotometers mit Interferenzfilter hergestellt. Die Glukose-Konzentration im Blut wurde unter Verwendung dieses Prototyps nicht-invasiv bestimmt. Die Daten eines jeden Datenintegrationszeitraums wurden in zehn Abschnitte unterteilt und die Verzerrungsfaktoren für die Abschnitte berechnet. Ein Messwert für jeden Datenintegrationszeitraum stellt einen Durchschnitt von sechs Medianwerten aus zehn berechneten Verzerrungsfaktoren dar.
Die Glukose-Konzentration im Blut einer gesunden Testperson mit leerem Magen wurde mit Hilfe eines kommerziellen Glukose-Messgerätes zu 89 mg/dL gemessen. Unter Beibehaltung dieser Messbedingungen wurde das Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung der Glukose-Konzentration im Blut verwendet. Es wurden fünf Messwerte aufgenommen. Nachfolgend wurden zwischen 40 und 70 Minuten nachdem die Testperson eine Tasse Sirup bestehend aus heißem Wasser mit 75 g gelöster Glukose getrunken hatte, drei Messwerte aufgenommen. 60 Minuten nachdem die Testperson eine Tasse Sirup getrunken hatte, betrug die mit einem kommerziellen Glukose-Messgerät bestimmte Glukose-Konzentration im Blut der Testperson 308 mg/dL. In der 8 ist ein durch diese Experimente erhaltener Korrelationsplot dargestellt, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass die Glukose-Konzentration im Blut der Testperson in dem Zeitraum zwischen 40 Minuten und 70 Minuten nachdem die Testperson eine Tasse Sirup getrunken hatte, als konstant angesehen werden kann. Es stellt ein sehr gutes Ergebnis dar, dass der Korrelationskoeffizient zwischen den Messwerten, die durch das Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, und der Glukose-Konzentration im Blut, die durch ein kommerzielles Glukose-Messgerät bestimmt wurde, 0,98 beträgt.
Es konnte gezeigt werden, dass eine nicht-invasive Bestimmung der Glukose-Konzentration in Blut mit Hilfe eines Photometers möglich ist, das die Transmissionswellenlänge des Interferenzfilters der vorliegenden Erfindung scannt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Bestimmung der Konzentration einer interessierenden Komponente unter Anwendung der Lichtabsorption des Materials bringt gewünschte Eigenschaften mit sich wie beispielsweise die Tatsache, dass die Bestimmung nicht-destruktiv und nicht-invasiv für eine Person ist. Allerdings ist es in vielen Fällen schwierig, die Konzentration der interessierenden Komponente unter Verwendung von nur einer Wellenlänge zu bestimmen, da Ausläufer der Spektren von daneben vorliegenden Komponenten mit der Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente überlappen. Aus diesem Grund werden viele verschiedene Wellenlängen für die Bestimmung verwendet und schlussendlich wird eine spektroskopische Methode angewandt. Eine solche spektroskopische Methode besitzt zwar weite Anwendungsgebiete, andererseits wird aber eine umfangreiche apparative Ausstattung benötigt und die Methode ist teuer. Aus diesen Gründen ist eine Analysen-Vorrichtung, die die Lichtabsorption des Materials anwendet, zwar wünschenswert aber nicht weit verbreitet in Gebrauch. Beispielsweise existiert auf dem japanischen Markt kein Glukose-Messgerät, das die Lichtabsorption des Materials verwendet, obwohl viele Glukose-Messgeräte verwendet werden, die ein enzymatisches Verfahren anwenden.
Die vorliegende Erfindung erzielt bei einem simplen Aufbau für eine Komponente in einer Probe die gleiche Güte wie ein spektroskopisches Verfahren. Die vorliegende Erfindung ist gewerblich wertvoll, weil sie eine wünschenswerte Eigenschaft zur Bestimmung der Konzentration einer interessierenden Komponente aufgreift, nämlich die Anwendung der Lichtabsorption des Materials. Sie stellt eine Analysenvorrichtung mit guten Eigenschaften im Hinblick auf die Kosten bereit und leistet einen technischen Beitrag zu industriellen Gebieten, zur Kontrolle der Umweltverschmutzung und zu medizinischen Gebieten.

Claims

Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter für die Bestimmung der Konzentration einer interessierenden Komponente in einer Probe, umfassend: eine Lichtquelle (1); ein Interferenzfilter (3) mit Mittel (4-7) zum periodischen Scannen der Transmissionswellenlänge; und einen Infrarotsensor (11), wobei das Photometer so eingerichtet ist, dass es den Bereich, in dem die Transmissionswellenlänge gescannt wird, so einstellt, dass die mittlere Wellenlänge des gescannten Bereichs gleich einer Absorptionswellenlänge der interessierenden Komponente ist, und wobei ein Lichtstrahl von der Lichtquelle, nachdem er durch das Interferenzfilter transmittiert und nachdem er durch die Probe transmittiert oder von der Probe reflektiert wurde, wobei sich die Probe vor oder hinter dem Interferenzfilter befindet, durch den Infrarotsensor als ein elektrisches Signal detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Photometer außerdem einen Nulldurchgangsdetektor umfasst, der dazu eingerichtet ist, eine volle Periode T (Zeit für jeden zweiten Nulldurchgang) der AC-Komponente des von dem Infrarotsensor bereitgestellten elektrischen Signals und eine Halbperiode T₁ (Zeit für jeden Nulldurchgang) der AC-Komponente herauszunehmen, und dass das Photometer zur Bestimmung der Konzentration der interessierenden Komponente aus dem Verhältnis (T – 2T₁)/T eingerichtet ist.
Transmissionswellenlängen-Scanningphotometer mit Interferenzfilter nach Anspruch 1, das so eingerichtet ist, dass es die Transmissionswellenlänge durch periodisches Schwingen des Interferenzfilters (3) scannt, so dass die Normale des Interferenzfilters (3) relativ zur optischen Achse geneigt ist.