DE60223684T2 - Einrichtung zur laserinduzierten fluoreszenzanalyse und trennvorrichtung damit - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse zur Erzeugung von Fluoreszenzlicht durch gelöste Substanzen und zur Detektion dieses Lichts für eine chemische und biochemische Analyse. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Trennvorrichtung, die eine derartige Vorrichtung umfasst.
  • Es ist bekannt, laserinduzierte Fluoreszenzmessungen durchzuführen, um Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren, die, insbesondere in Spurenform, in einer Lösung vorhanden sind. Derartige Messungen besitzen zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Biochemie.
  • Das Dokument US 6,011,882 beschreibt einen chemischen Detektor, bei dem ein Rohr aus einem Polymermaterial, das unter der eingetragenen Marke Teflon A.F. 2400® bekannt ist, das mit einem reaktiven Indikator in der flüssigen Phase gefüllt ist. Das Rohr wird einer in der Gasphase befindlichen Substanz ausgesetzt, die man detektieren möchte und die auf Grund der Gaspermeabilität des die Röhre bildenden Materials durch die Wand der Röhre wandert. Man detektiert so die Änderung einer optischen Eigenschaft des reaktiven Indikators bei Kontakt mit der fraglichen Substanz. Unter den verschiedenen, in diesem Dokument betrachteten Detektionsarten werden die Absorptionsmessung und die Messung von laserinduzierter Fluoreszenz beschrieben, für die man eine das Innere des Rohrs, ausgehend von einem seiner Enden, axial durchstrahlende Lichtquelle und eine optische Faser verwendet, die das Licht am anderen Ende des Rohrs axial sammelt, um dieses einem Analyseinstrument zuzuführen. Dieses Anordnung ist auf jeden Fall bei einer Absorptionsmessung eher bevorzugt, denn die Wellenleitungseigenschaften des Teflonrohrs führen das am ersten Ende eingestrahlte Licht zum Analyseinstrument, so dass im Fall einer Fluoreszenzmessung das Analyseinstrument ein starkes Signal des eingestrahlten Lichts empfängt, welches dem zu detektierenden Fluoreszenzlicht überlagert ist, was der Empfindlichkeit der Fluoreszenzmessung sehr abträglich ist. Außerdem ist dieser Detektor nicht dazu vorgesehen, mit einem Trennsystem zusammenzuwirken.
  • Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit einer Fluoreszenzdetektion erhöht wird, indem man vermeidet, gleichzeitig mit dem Fluoreszenzlicht parasitäres Licht und/oder reflektiertes oder gestreutes Anregungslicht zu detektieren. Um zu vermeiden, dass Anregungslicht gesammelt wird, schlagen das Dokument Analytical Chemistry Bd. 72, Nr. 15, Seiten 3422–3430 (2000) und das Dokument WO 00/04371 eine Anordnung zur Kapillarelektrophorese vor, in der eine Quarzkapillare verwendet wird, die außen mit einer Polymerschicht mit einem geringeren Brechungsindex als demjenigen eines Trennmediums, mit welchem das Innere der Kapillare befüllt ist, beschichtet ist, wobei man die Kapillare in einer senkrechten Geometrie beleuchtet, so dass die Ausbreitungsrichtung des Anregungslichts quer zur Kapillare orientiert ist, während das Fluoreszenzlicht in einer axialen Richtung der Kapillare gesammelt wird. Gemäß diesem Dokument breitet sich das in der Nähe der Außenfläche der Kapillare emittierte oder gestreute Licht spiralförmig entlang der Kapillare in der Nähe von deren Außenfläche aus, während das im Zentrum der Kapillare emittierte Licht, wie beispielsweise die laserinduzierte Fluoreszenz, die Kapillare statistisch in der Nähe von deren Zentrum verlässt, was ein Raumfilterung des parasitären Lichts auf Höhe des Detektors ermöglicht. Diese Dokumente schweigen jedoch im Hinblick auf die Montage des Analyserohrs mit einer Trennkolonne oder einer Abzugsleitung eines Trennsystems.
  • Das Dokument WO 96/15438 offenbart einen weiteren Fluoreszenzdetektor, bei welchem das in einer Anregungszone eines Quarzrohrs erzeugte Fluoreszenzlicht mittels einer Sammelhülse von der Anregungszone weggeführt wird, die einen größeren Brechungsindex als derjenige der Probe aufweisen muss, die das Innere des Rohrs einnimmt, und die aus einem Material besteht, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie das Rohr hat, wobei die Hülse durch Aufschmelzen, Verkleben oder Aufformen auf dem Rohr befestigt ist. Dieser Detektor weist jedoch in der Hinsicht Nachteile auf, dass die Sammelhülse zusätzliche Kosten verursacht und dass die Grenzfläche zwischen der Sammelhülse und dem Rohr, welche den optischen Kontakt gewährleistet, schwierig herzustellen ist, und/oder eine zeitlich eingeschränkte Wirksamkeit aufweist.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 00/60342 offenbart eine Vorrichtung zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse, welche aufweist:
    • – Eine Röhre, die einen Kanal aufweist, der eine Lösung enthalten kann, welche wenigstens eine Substanz umfasst, die eine laserinduzierte Fluoreszenzreaktion durchführen kann,
    • – ein Projektionsmittel, das einen Anregungslichtstrahl auf einen Abschnitt des Kanals entlang einer Richtung projizieren kann, die einen Winkel von mehr als 60° mit der Längsachse des Kanals bildet, wobei das Anregungslicht eine Fluoreszenzreaktion in der oder einer der Substanz(en) induzieren kann,
    • – ein optisches Sammelmittel, das so angeordnet ist, dass Fluoreszenzlicht aus dem Kanal gesammelt wird,
    • – ein optisches Messmittel, das so mit dem Sammelmittel gekoppelt ist, dass es das gesammelte Fluoreszenzlicht messen kann,
    • – ein Verarbeitungsmittel, welches ein von dem Messmittel übertragenes Messsignal verarbeiten kann, um ein Analyseergebnis der Lösung zu liefern.
  • Genauer gesagt, weist die bekannte Vorrichtung eine Kapillare auf, in welcher, ausgehend von einem Trennsystem, bei dem sich um ein System zur Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (HPLC) zur Mikrohochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (μ-HPLC) oder zur Kapillarelektrophorese (CE) handeln kann, eine zu analysierende Lösung transportiert wird, die einen gelösten Stoff enthält, der bei Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge fluoresziert. Ein Laser durchstrahlt senkrecht zur Richtung der Kapillare eine Analysezelle im Inneren der Kapillare, wobei die Wellenlänge des Lasers so gewählt ist, um die Fluoreszenz des gelösten Stoffes anzuregen. Außerdem ist eine kugelförmige Linse vorgesehen, um das Fluoreszenzlicht aus der Analysezelle zu sammeln, sowie eine Photomultiplier-Röhre zur Messung des gesammelten Fluoreszenzlichts und ein Mittel zur Analyse der von der Photomultiplier-Röhre erzeugten Messsignale zur Erzeugung eines Analyseergebnisses.
  • Bei dieser Vorrichtung sind jedoch die optischen Strecken des Anregungslichts und des Fluoreszenzlichts teilweise co-linear, so dass ein spektrales Filtermittel in Form eines dichroitischen Spiegels erforderlich ist, um sie zu trennen. Ferner sammeln derartige Systeme, welche Fluoreszenz nur in Anregungsrichtung sammeln, nur einen kleinen Teil der in diesem Raum isotrop ausgestrahlten Fluoreszenz.
  • Das Dokument DE 198 17 738 A1 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse mit hoher Empfindlichkeit bereitzustellen, die mit einem Trennsystem durch Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie, Mikrohochleistungs-Flüssigkeitschromatografie oder Kapillarelektrophorese zusammenwirken oder in diesem enthalten sein kann, und das die oben genannten Nachteile oder einige dieser Nachteile nicht aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, ein Gerät zur Trennung und zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse bereitzustellen.
  • Zu diesem Zweck stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse bereit, mit:
    • – einer Röhre, die einen Kanal aufweist, der eine Lösung enthalten kann, welche wenigstens eine Substanz umfasst, die eine laserinduzierte Fluoreszenzreaktion durchführen kann, wobei das Material der Röhre für ein Anregungslicht im Wesentlichen durchlässig ist,
    • – wenigstens einem Projektionsmittel, das einen Anregungslichtstrahl lokal auf einen Abschnitt des Kanals entlang einer Richtung projizieren kann, die einen Winkel von mehr als 60° mit einer Längsachse des Kanals bildet, wobei das Anregungslicht eine Fluoreszenzreaktion in der oder einer der Substanz(en) induzieren kann,
    • – wenigstens einem optischen Sammelmittel, das so angeordnet ist, dass Fluoreszenzlicht aus dem Kanal gesammelt wird,
    • – wenigstens einem optischen Messmittel, das so mit dem Sammelmittel gekoppelt ist, dass es das gesammelte Fluoreszenzlicht messen kann,
    • – einem Verarbeitungsmittel, welches ein von dem Messmittel geliefertes Messsignal verarbeiten kann, um ein Analyseergebnis der Lösung zu erzeugen,
    • – einem ersten Sammelmittel, das mechanisch mit einem ersten Ende der Röhre gekoppelt ist, wobei die Röhre aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex entweder kleiner als derjenige des Wassers in dem Kanal oder gleichzeitig größer als derjenige des Wassers in dem Kanal und als derjenige, der die Röhre umgebenden Luft ist, so dass das Fluoreszenzlicht entlang des Kanals in dem Kanal und/oder in der Wand der Röhre bis zu dem ersten Sammelmittel geführt werden kann, welches angeordnet ist, das Fluoreszenzlicht zu sammeln, welches sich im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Kanals ausbreitet,
    • – einem Verbindungsmittel, um funktionell ein zweites Ende der Röhre mit einer Austrittsleitung eines Trennsystems so zu verbinden, dass eine Zirkulation der Lösung und/oder ein Transport der Substanz(en) in der Lösung zwischen dem Trennsystem und der Röhre ermöglicht wird. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre auf Höhe des zweiten Endes eine Innenwand mit einer im Wesentlichen konischen, ellipsoiden oder paraboloiden Form aufweist, deren eine Fläche in Richtung des ersten Endes gerichtet ist und das Fluoreszenzlicht in Richtung des ersten Endes reflektieren kann, wobei die Röhre einen verglichen mit demjenigen der Austrittsleitung vergrößerten Innenquerschnitt aufweist und eine Zelle zur Fluoreszenzdetektion bildet.
  • Im Sinne der Erfindung umfasst das Wasser in dem Kanal im Wesentlichen Wasser (mit einem Berechungsindex in der Größenordnung von 1,33 bei einer Wellenlänge von 488 nm) oder mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel in Wasser lösliche Salze, üblicherweise zum Transport von zu trennenden Substanzen verwendete Säuren oder auch ein Hydrogel (beispielsweise mit einem Brechungsindex in der Größenordnung von 1,36) oder einen Elektrolyten. Im Sinne der Erfindung kann das Rohr einen Flüssigkeitsfluss oder einen Flüssigkeitsstrom enthalten.
  • Der Vorteil einer Röhre, deren Brechungsindex kleiner als derjenige der wässrigen Lösungen und der meisten üblichen Lösungsmittel ist, besteht darin, dass der Indexunterschied an der Grenzfläche zwischen den Wänden des Kanals mit Index n und der zu analysierenden Lösung mit Index n' einen starken Reflexionskoeffizienten erzeugt, der für Lichtstrahlen mit einer ausreichend großen Neigung gegenüber der Grenzfläche den Wert 1 erreicht (Totalreflexion). Genauer gesagt, wenn man den Einfallswinkel eines in der Lösung erzeugten Fluoreszenzlichtstrahls im Inneren des Kanals durch den Winkel θ zwischen diesem Strahl und dem zu dieser Grenzfläche senkrechten Vektor, der ins Innere des Kanals gerichtet ist, misst, dann lautet die Bedingung für Totalreflexion für diesen Strahl: θ ≥ Arcsin(n/n').
  • Die Röhre mit ihrem mit der zu analysierenden Lösung gefüllten Kanal bildet somit einen Wellenleiter mit flüssigem Kern, der Fluoreszenzlicht entlang seiner Längsrichtung bei minimalen Verlusten führen kann.
  • Gemäß einem speziellen Merkmal der Erfindung schließt sich der lokal durch den Anregungslichtstrahl beleuchtete Abschnitt der Röhre im Wesentlichen an das Verbindungsmittel an, so dass die Detektionszelle den Anregungsbereich der Substanz(en) enthält.
  • Vorteilhaft kann das Verbindungsmittel die Röhre und die Austrittsleitung starr und im Wesentlichen fugendicht verbinden.
  • Gegenüber der Fläche weist das zweite Ende der Röhre vorteilhaft eine Innenschulter mit einem Querschnitt auf, der im Wesentlichen den Außenquerschnitt der Austrittsleitung entspricht und als Anschlag für den in die Röhre eingesetzten teil der Austrittsleitung dient.
  • Vorteilhaft entspricht der Innenquerschnitt der Austrittsleitung im Wesentlichen dem Innenquerschnitt der Einschnürung, welche zwischen der Schulter und der Fläche auf Höhe des zweiten Endes der Röhre definiert wird.
  • Bevorzugt weist jedes Sammelmittel einen Wellenleiter auf, wobei ein hohler T-Verbinder zwischen dem Wellenleiter und dem entsprechenden Ende der Röhre angeordnet ist, um sie in der Verlängerung miteinander zu verbinden, wobei ein Seitenarm des Verbinders eine Zirkulation der Lösung und/oder einen Transport der Substanz(en) in der Lösung nach oder von außerhalb der Röhre ermöglicht.
  • Vorteilhaft verbindet bei der Kapillarelektrophorese der Seitenarm eines ersten T-Verbinders das erste Ende der Röhre mit einem Reservoir, wobei eine erste Elektrode durch eine Wand des Reservoirs hindurch so angeordnet ist, dass sie sich in Kontakt mit der Lösung befindet, wobei die Lösung elektrisch leitfähig ist und sich in Kontakt mit einer zweiten Elektrode befindet, die von der ersten beabstandet angeordnet ist, wobei die Elektroden so mit einer Spannungsquelle verbunden sind, dass eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen den beiden Enden der Röhre entsteht, um die Substanz(en) durch Elektrophorese wandern zu lassen, wobei der mit dem ersten Sammelmittel verbundene Wellenleiter über den ersten Verbinder mit dem ersten Ende in der Verlängerung der Röhre verbunden ist.
  • Gemäß einem speziellen Merkmal der Erfindung verbindet der Seitenarm eines zweiten hohlen T-Verbinders das zweite Ende der Röhre mit dem oben genannten Verbindungsmittel, wobei der einem zweiten Sammelmittel zugeordnete Wellenleiter durch den zweiten T-Verbinder mit dem zweiten Ende der Röhre in deren Verlängerung verbunden ist. In diesem Fall kann die Röhre ebenfalls auf Höhe des ersten Endes eine Innenwand mit im Wesentlichen konischer, ellipsoider oder paraboloider Form aufweisen, deren eine Fläche in Richtung des zweiten Endes gerichtet ist und das Fluoreszenzlicht in Richtung des zweiten Endes reflektieren kann.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist (sind) die im Wesentlichen konische(n) (218), ellipsoide(n) oder paraboloide(n) Innenwand (Innenwände) der Röhre (2, 202) mit einem oxidationsbeständigen, reflektierenden Material (242) beschichtet.
  • Vorzugsweise weist die Röhre einen Innendurchmesser von bis zu 200 μm für eine Verwendung bei der Kapillarelektrophorese oder der μHPLC und von bis zu 1000 μm für eine Verwendung bei der HPLC auf.
  • Vorzugsweise umfasst das Projektionsmittel eine Lichtquelle, die seitlich von dem Kanal beabstandet angeordnet ist, sowie optische Mittel, die zwischen der Lichtquelle und dem Kanal angeordnet sind, um den Querschnitt des Anregungslichtstrahls an den Innendurchmesser des Kanals anzupassen.
  • Man kann vorsehen, dass die Außenwand der Röhre, abgesehen insbesondere von einem dem Anregungsbereich der Detektionszelle gegenüber liegenden Wandabschnitt, der für den Lichtstrahl transparent bleiben muss, mit einem reflektierenden Material beschichtet ist.
  • Die Erfindung stellt auch ein Gerät zur chromatografischen oder elektrophoretischen Trennung bereit, das eine solche Analysevorrichtung umfasst. In diesem Fall bildet die Röhre eine Trennkolonne des Geräts oder ist mit einer solchen verbunden.
  • Die Erfindung wird besser verständlich werden und weitere ihrer Ziele, Details, Eigenschaften und Vorteile werden im Laufe der folgenden Beschreibung mehrerer spezieller Ausführungsformen der Erfindung deutlicher werden, die rein illustrativ und nicht einschränkend unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen erfolgen. In den Zeichnungen:
  • ist 1 eine schematische Darstellung einer gesamten Anordnung einer Analysevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • ist 2 eine schematische Darstellung einer gesamten Anordnung einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung der 1,
  • ist 3 eine schematische Darstellung einer gesamten Anordnung einer Analysevorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • ist 4 eine vergrößerte Ansicht eines mit IV umkreisten Details der Vorrichtung der 1,
  • ist 5 eine vergrößerte Ansicht eines entsprechenden Details der Vorrichtung der 3.
  • Gemäß einer unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen ersten Ausführungsform weist die insgesamt mit 1 bezeichnete Analysevorrichtung eine Röhre 2 auf, die aus einem Polymer mit einem kleineren Brechungsindex als demjenigen von Wasser oder Quarzglas besteht (beispielsweise mit einem Brechungsindex von 1,45 bei einer Wellenlänge von 488 nm). Die Röhre 2 ist eine Röhre, die von einem Lösungsfluss durchströmt wird, die von einem Trenngerät 35 mittels einer Austrittsleitung 3 von Letzterem herangeführt wird, bei welchem es sch beispielsweise um einen Chromatografiekolonne, eine Röhre aus Peek oder eine Stahlröhre mit geringem Querschnitt handeln kann. Das Gerät 35 ist ein Gerät zur Trennung durch Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie, Mikro- oder Nanohochleistungs-Flüssigkeitschromatografie eines dem Fachmann bekannten Typs und weist schematisch ein Hauptreservoir 32 für die zu trennenden Substanzen, eine mit dem Reservoir 32 verbundene Trennkolonne 33 und eine Pumpe 34 zur Erzeugung eines Lösungsstromes in der Trennkolonne 33 auf. Die Trennkolonne ist mit der Austrittsleitung 3 verbunden oder fällt mit Letzterer zusammen.
  • Die Röhre 2 ist starr und fugendicht mittels einer undurchsichtigen Verbindungshülse 4 ohne Totvolumen mit der Austrittsleitung 3 verbunden. Im Inneren der Hülse ist ein Ende der Röhre 2 gegen ein Ende der Leitung 3 in Anschlag. Die Lösung enthält eine oder mehrere molekulare Substanzen, die in dem Trenngerät getrennt wurden und die man durch Fluoreszenzmessung detektieren und quantifizieren will.
  • Ein Abschnitt 16 geringer Länge der Röhre 2 wird quer und lokal durch ein Projektionsmittel beleuchtet, das eine Anregungslichtquelle 12 aufweist, die wenigstens eine Wellenlänge ausstrahlt, die so gewählt ist, dass eine Fluoreszenzreaktion in wenigstens einer der zu detektierenden Substanzen induziert wird. Um gleichzeitig die Fluoreszenz mehrerer Substanzen anzuregen, kann man auch mehrere Projektionsmittel mit Anregungslichtquellen vorsehen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, welche Seite an Seite entlang der Röhre 2 und/oder an deren Umfang angeordnet sind. In diesem Fall tritt die Fluoreszenz der unterschiedlichen Substanzen bei verschiedenen Wellenlängen auf und es wäre sinnvoll, den Sammelmitteln ein spektrales Trennsystem mit optischen Filtern, Prismenmonochro matoren oder Beugungsgittern nachzuschalten, was eine Auswahl von einem oder mehreren Emissionswellenlängenbändern ermöglicht. Dies ist auch der Fall, wenn die Anregungsquelle ein Laser ist, der in UV emittiert, wobei die verschiedenen Substanzen dann spezifische native Fluoreszenzen zeigen können.
  • Der gerichtete Anregungslichtstrahl 13 durchquert einen Linsensatz 14, den man so anpasst, dass der Strahl F auf dem Abschnitt 16 der Röhre so gebündelt wird, dass der Durchmesser des Strahls F auf Höhe der Röhre 2 im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Kanals 11 der Röhre 2 entspricht. Somit wird der Verlust eines Teils des Anregungslichts, der nicht auf die Lösung trifft, minimiert, während das beleuchtete Lösungsvolumen ausreichen groß bleibt, um Fluoreszenzstrahlung in einer detektierbaren Größenordnung aus den sehr geringen Konzentrationen der fluoreszierenden Substanz zu induzieren. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Anregungslicht in Fluoreszenzlicht wird somit auf Grund der verwendeten orthogonalen Geometrie optimiert.
  • Der Linsensatz 14 kann den Strahl F auch aufweiten, beispielsweise in dem Fall, wo die Quelle 12 einen schmaleren Strahl 13 als das Innere der Röhre 2 erzeugt. Die Einstrahlrichtung des Strahls 5 bildet mit der Richtung der Achse A der Röhre 2 einen Winkel α von mehr als 60° und, in dem dargestellten Beispiel, von im Wesentlichen gleich 90°.
  • Wenn man die Einstrahlrichtung des Strahls F bezüglich der Achse A neigt, neigt man sie vorzugsweise so, dass der Winkel α zwischen der Einstrahlrichtung und der auf der Seite des Sammelmittels 5 befindlichen Achse A verringert wird, um den Anregungsstrahl in die entgegengesetzte Richtung der Messmittel zu orientieren und so die Streuung von Anregungslicht in Richtung der Messmittel zu reduzieren.
  • Wenn die Röhre eine Brechungsindex aufweist, der kleiner als derjenige von Wasser ist, wird das lokal in dem beleuchteten Abschnitt 16 erzeugte Fluoreszenzlicht entlang der axialen Richtung der Röhre 2 durch aufeinander folgende Reflexionen an ihrer Innenfläche geleitet, so dass die Röhre 2 einen zylindrischen Wellenleiter mit flüssigem Kern bildet.
  • In 4 ist ein Strahl 27 des Fluoreszenzlichts dargestellt, das in einem Punkt 28 der Lösung im Inneren des Kanals 11 für einen Lichtstrahl erzeugt wird, der eine ausreichende Neigung gegenüber dieser Grenzfläche aufweist. Man misst den Einfallwinkel des Strahls 27 durch den Winkel θ zwischen dem Strahl 27 und dem Vektor 29, der ins Innere der Röhre 2 gerichtet und senkrecht zu der Grenzfläche 31 zwischen der Lösung mit Brechungsindex n' und der Röhre 2 mit Brechungsindex n ist. Die Bedingung für Totalreflexion des Strahls 27 ist θ ≥ Arcsin(n/n'). So ist es durch Wahl des Materials der Röhre 2 möglich, den Brechungsindex n so zu minimieren, dass der Reflexionskoeffizient an der Grenzfläche 31 für den größten Teil der erzeugten Fluoreszenzlichtstrahlen erhöht wird und für Strahlen, welche die oben genannte Bedingung erfüllen, gleich 1 wird.
  • An dem den Grenzsystem gegenüber liegenden Ende der Röhre 2 ist ein undurchsichtiger und hohler T-Verbinder so angesetzt, dass einerseits die Röhre 2 mit einer oder mehreren optischen Sammelfaser(n) 7 verbunden wird, die in der Verlängerung der Röhre 2 angeordnet sind, und andererseits die Röhre 2 mit einer Auslassleitung 6 verbunden wird, welche das Ausströmen der Lösung aus der Röhre 2 senkrecht zu dieser ermöglicht. Im Zentrum des Verbinders 5 befindet sich die Röhre 2 gegen die Sammelfasern 7 so in Anlage, dass der Verlust an Fluoreszenzstrahlung durch Streuung an deren Grenzfläche minimiert wird. Der zu analysierende Lösungsstrom durchquert somit die Röhre 2 um durch den Seitenarm 30 des Verbinders 5 wieder auszutreten.
  • Die optische(n) Faser(n) 7 sammelt (sammeln) das emittierte Fluoreszenzlicht und führt (führen) es bis zu einer Photomultiplier-Röhre 8 oder einem anderen optischen Detektor. Die Photomultiplier-Röhre 8 erzeugt ein Messsignal, das mittels eines angepassten Verbindungsmittels 10 zu einem Datenverarbeitungssystem 9 beispielsweise einem Mikrocomputer, übertragen wird, welches dem Fachmann bekannte Softwaremittel aufweist, um das empfangene Messsignal zu verarbeiten und ein Analysesignal zu erzeugen, beispielsweise absolute oder relative quantita tive Messungen der Konzentration der das Fluoreszenzlicht emittierenden Substanz(en).
  • Der innere Kanal 11 der Röhre 2 weist auf Höhe des in die Hülse 4 eingesetzten Endes eine konische, ellipsoide oder paraboloide innere Umfangsfläche auf, um die Reflexion des Fluoreszenzlichts in Richtung der Sammelfasern 7 zu erhöhen, wobei die Röhre dann einen vergrößerten Innenquerschnitt bezüglich demjenigen der Leitung 3 aufweist.
  • Auf Grund der guten optischen Übertragung zwischen der Röhre 2 und der Sammelfaser 7 ist es nicht notwendig, spektrale oder räumliche Filtermittel zwischen der Röhre 2 und dem optischen Detektor vorzusehen, obwohl es auch möglich ist, diese vorzusehen, um die Detektionsschwelle zu verbessern. Obwohl sie nicht dargestellt wurden, sind elektrische Versorgungsmittel in die Photomultiplier-Röhre 8 und die Lichtquelle 12 für deren Betrieb integriert oder mit ihnen verbunden.
  • Gemäß einer in 2 dargestellten Variante der ersten Ausführungsform weist die Analysevorrichtung 100 an Stelle der Verbindungshülse 4 einen zweiten undurchsichtigen und hohlen T-Verbinder 105 auf, der identisch ist mit dem T-Verbinder 5 oder diesem entspricht, welcher die Röhre 2 mittels eines rechtwinkligen Seitenarms 130, der mit einem Verbindungsmittel 104 verbunden ist, mit einer Austrittsleitung 103 zusammenfügt, welche der Leitung 3 entspricht, und eine zweite Gruppe 107 von optischen Sammelfasern, welche identisch oder analog den Fasern 7 ist, in der Verlängerung der Röhre 2 mit ihr verbindet, um Fluoreszenzlicht zu einer zweiten Photomultiplier-Röhre 108 zu leiten, die identisch mit der Photomultiplier-Röhre 8 ist oder dieser entspricht. Die Photomultiplier-Röhre 108 kann über eine Leitung 110 mit dem oben genannten System 9 verbunden sein. Bei dieser Variante ist die Montage an den beiden Enden der Röhre 2 daher symmetrisch, so dass das gesamte in der Röhre 2 gefangene Licht unabhängig von dessen Ausbreitungsrichtung gesammelt wird. Die Lösung tritt über die Leitung 103 in die Röhre 2 ein und verlässt sie über die Auslassleitung 6 wieder. Andere Bauteile der Vorrichtung 101 sind identisch oder analog zu denen der Vorrichtung 1 der 1. In dem Fall, weist ein oder weisen beide Enden (wie in 2 dargestellt) der Röhre eine konische, ellipsoide oder paraboloide Wand auf.
  • Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschreiben, in welcher die Bauelemente, die identisch oder analog mit denjenigen der ersten Ausführungsform sind, mit den gleichen um 200 erhöhten Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet sind. Die Analysevorrichtung 201 ist in Betrieb mit einem Trennsystem durch Elektrophorese 235 verbunden, beispielsweise durch Kapillarelektrophorese, Isotachophorese oder Elektrochromatografie, dessen Austrittsleitung 203 eine Quarzkapillare oder eine elektrophoretische Trennröhre ist. Die Lösung ist ein Elektrolyt, welcher das Hauptreservoir 232 des Trennsystems 235 einnimmt, wobei die Leitung 203 über eine Kolonne 233 mit dem Reservoir 232 verbunden ist, und die Röhre 202 mit der Leitung 203 verbunden ist sowie mit dem Inneren des T-Verbinders 205 und einem seitlichen Pufferreservoir 206. Der Elektrolyt befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer ersten Elektrode 224 des Trennsystems, welche in das Reservoir 232 eintaucht, sowie mit einer zweiten Elektrode 217, die dicht durch eine Wand des Pufferreservoirs 206 eingesetzt ist. Beispielsweise hat das Reservoir 206 die Form eines Reagenzglases, dessen offenes Ende dicht in den Seitenarm 230 des Verbinders 205 eingesetzt ist und dessen Boden dich von der Elektrode 217 durchquert wird. Selbstverständlich befindet sich das Reservoir 206 über eine geeignete Öffnung auf Atmosphärendruck. Somit wird die elektrische Kontinuität parallel zur Achse der Leitung 203 und der Röhre 202 und, auf Höhe des T-Verbinders 205 senkrecht zur Achse der Röhre 202 gewährleistet.
  • Im Betrieb sind diese Elektroden mit einer Gleichspannungsquelle 226 des Trennsystems 235 verbunden, die es ermöglicht, einen Potenzialgradienten im Kreise der Leitung 203 und der Röhre 202 zu erzeugen, um gelöste Substanzen durch Elektrophorese voneinander zu trennen. Die Verbindung 204 zwischen der Röhre 202 und der Leitung 203 wird durch Einsetzen von Letzterer in Erstere gewährleistet, wobei der Innendurchmesser der Röhre 202 mit dem Außendurchmesser der Leitung 203 übereinstimmt. Auf Höhe dieser Verbindung weist die Innenwand der Röhre 202 eine kegelstumpfförmige oder ellipsoide oder paraboloide Verengung auf, deren Fläche 218 eine Rückreflexion des Fluoreszenzlichts in Richtung der Sammelfasern 207 ermöglicht, so dass die Sammeleffizienz des Fluoreszenzlichts durch die Fasern 207 wesentlich verbessert wird. Bessere Leistungen erhält man, wenn die Fläche 218 mit einem oxidationsbeständigen reflektierenden material 242 beschichtet wird, wie beispielsweise Gold, Silber, Platin, beispielsweise durch Abscheiden einer dünnen Schicht durch Vakuumbedampfen (vgl. 5). Gegenüber der geneigten Fläche 218 weist die Einschnürung eine Schulter 219 auf, die als Anschlag für den in die Röhre 202 eingesetzten Teil der Leitung 203 dient. Um zu verhindern, dass sich Verunreinigungen auf Höhe der Verbindung ansammeln, muss die Grenzfläche zwischen der Röhre 202 und der Leitung 203 sehr gleichmäßig sein. Dies erreicht man durch einen guten Oberflächenzustand und eine durch Verkleben fixierte Ausrichtung.
  • Die Funktion der Analysevorrichtung 201 entspricht derjenigen der Vorrichtung 1. Die Lichtquelle 212 und der Linsensatz 214 lenken den Anregungslichtstrahl 213 auf eine Abschnitt 216 der Röhre 202. Der den Gegenstand der lokalen Anregungsbeleuchtung bildende Abschnitt 216 wird vorzugsweise so gewählt, dass er an die kegelstumpfförmige Verengung und an die Verbindung mit der Leitung 203 angrenzt, um das Totvolumen und den Einfluss von Innendurchmesserschwankungen des durch die Leitung 203 und die Röhre 202 gebildeten Trennrohrs zu verringern. Der photometrische Detektor 208 überträgt über Verbindungsmittel 210 ein Messsignal an das Verarbeitungssystem 209.
  • Die Röhre 2 oder 202 weist eine breiten Innendurchmesser von beispielsweise bis zu 200 μm für eine Anwendung bei der Kapillarelektrophorese oder der μ-HPLC und bis zu 1000 μm für eine Anwendung bei der HPLLC auf, um das beleuchtet Lösungsvolumen zu optimieren und folglich die Empfindlichkeit der Fluoreszenzdetektion zu erhöhen.
  • Die zylindrische Form eines Kapillarkanals begünstigt die Ausbreitung der im Inneren der Kapillarröhre emittierten Fluoreszenz, vorausgesetzt, dass der Brechungs index des Ausbreitungskanals größer als der Index des benachbarten „äußeren" Mediums ist.
  • Die Ausbreitung findet dann in der flüssigen Ader statt, die in dem Kapillarkanal 2 enthalten ist, wenn dieser aus einem Polymermaterial besteht, das einen kleineren inneren Index als derjenige von Wasser oder derjenige von üblicherweise verwendeten Lösungsmitteln aufweist.
  • In 5 ist eine Quarzröhre 202 mit einem Brechungsindex n dargestellt, der größer als derjenige von Wasser ist, mit einem Fluoreszenzlichtstrahl 227, der in einem Punkt 228 der Lösung im Inneren des Kanals 211 erzeugt wird. Man misst den Einfallswinkel des Strahls 227 durch den Winkel θ zwischen dem Strahl 227 und dem ins Innere der Röhre 202 gerichteten und senkrecht zur Grenzfläche 231 zwischen der Lösung mit Brechungsindex n' und der Wand der Röhre 202 mit Brechungsindex n orientierten Vektor 229. Da n größer ist als n', kann dort selbstverständlich keine Totalreflexion des Strahls 227 auftreten, der sich in der Wand aus Quarzglas ausbreitet. Da dieser Index n größer ist als derjenige n'', der die Röhre 202 umgebenden Luft, wird der Strahl abhängig vom vorgenannten Einfallswinkel und dem gewählten Wert von n wenigstens teilweise an der Grenzfläche zwischen der Röhre und der umgebenden Luft ins Innere der Wand und in den Kanal zurück reflektiert. Vorzugsweise ist der Index n'' kleiner als der Index n. Da das Sammeln entlang der Längsachse stattfindet, ist keine Hülse erforderlich.
  • Wie man in den 4 und 5 erkennt, ist hier eine Ausbreitungsrichtung bevorzugt: Dazu weist das Kapillarrohr einen vergrößerten Querschnitt auf, der eine an die Verbindungsmittel 204 angrenzende Detektionszelle 216 bildet. Der vergrößerte Bereich mit konischer, ellipsoider oder paraboloider Form kann im Inneren ebenfalls mit einem reflektierenden Material aus Gold, Silber oder Platin mittels eines Verfahrens beschichtet sein, wie beispielsweise Dünnschichtabscheidung durch Vakuumverdampfen. Diese Vergrößerung der Kapillarröhre 202 auf Höhe des Anregungsbereichs 216 erlaubt es, ein größeres Probenvolumen zu bestrahlen.
  • Das Hinzufügen einer als Spiegel dienenden Beschichtung 243 auf der Außenwand des Kapillarrohrs 202 ermöglicht es, den Grenzwinkel θ (Winkel bezüglich des Vektors 229) zu verringern und so die in die die Röhre umgebende Luft abgestrahlte/gestreute Fluoreszenz zu verringern. Diese Beschichtung 243 darf jedoch den Anregungsbereich 216 der Detektionszelle nicht bedecken, der für den Strahl F transparent bleiben muss.
  • Es ist auch möglich, eine Hülse zu verwenden, welche die gleiche reflektierende äußere Beschichtung 243 aufweist, wobei in die Hülse Kapillartrennröhrchen 203 eingesetzt und ausgerichtet sind und die größte Kapillarröhre 202 als Detektionszelle dient, wobei diese vorzugsweise eingeklebt sind, was es ermöglicht, die Hülse in der gewünschten Form zu bearbeiten.
  • Zur Aufrechterhaltung der elektrophoretischen und chromatografischen Auflösung kann der Anregungsstrahl F einen elliptischen Querschnitt aufweisen, wobei die Hauptachse dieser Ellipse senkrecht zur Längsachse A des Kapillarrohrs orientiert und die Nebenachse der Ellipse parallel zu der Achse A orientiert ist.
  • Selbstverständlich kann die Röhre 2 aus Quarzglas und umgekehrt die Röhre 212 aus einem Polymermaterial bestehen, ohne dass dadurch der durch die Erfindung abgesteckte Rahmen verlassen wird.
  • Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit mehreren speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die keineswegs darauf beschränkt ist und alle äquivalenten Techniken der beschriebenen Mittel sowie deren Kombinationen umfasst, soweit diese innerhalb des durch die Patenansprüche definierten Rahmens des Schutzbereichs liegen.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse (1, 101, 201) mit: – einer Röhre (2, 202) die einen Kanal (11, 211) aufweist, der eine Lösung enthalten kann, welche wenigstens eine Substanz umfasst, die eine laserinduzierte Fluoreszenzreaktion durchführen kann, wobei das Material der Röhre für ein Anregungslicht im Wesentlichen durchlässig ist, – wenigstens einem Projektionsmittel (12, 14; 214, 212), das einen Anregungslichtstrahl (13, 213) lokal auf einen Abschnitt (16, 216) des Kanals entlang einer Richtung projizieren kann, die einen Winkel von mehr als 60° mit der Längsachse (A) des Kanals bildet, wobei das Anregungslicht eine Fluoreszenzreaktion in der oder den Substanz(en) induzieren kann, – wenigstens einem optisches Sammelmittel (7, 107, 207), das so angeordnet ist, das Fluoreszenzlicht aus dem Kanal gesammelt wird, – wenigstens einem optisches Messmittel (8, 108, 208), das so mit dem Sammelmittel gekoppelt ist, dass es das gesammelte Fluoreszenzlicht messen kann, – einem Verarbeitungsmittel (9, 209), welches ein von dem Messmittel geliefertes Messsignal verarbeiten kann, um ein Analyseergebnis der Lösung zu erzeugen, – einem ersten Sammelmittel (7, 207), das mechanisch mit einem ersten Ende der Röhre (2, 202) gekoppelt ist, wobei die Röhre aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex entweder kleiner als derjenige des Wassers in dem Kanal (11, 211), oder gleichzeitig größer als derjenige des Wassers in dem Kanal und als derjenige der die Röhre (2, 202) umgebenden Luft ist, so dass das Fluoreszenzlicht entlang des Kanals in dem Kanal und/oder in der Wand der Röhre bis zu dem ersten Sammelmittel geführt werden kann, welches angeordnet ist, das Fluoreszenzlicht zu sammeln, welches sich im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Kanals ausbreitet, – einem Verbindungsmittel (4, 104, 204), um funktionell ein zweites Ende der Röhre mit einer Austrittsleitung (3, 103, 203) eines Trennsystems so zu verbinden, das eine Zirkulation der Lösung und/oder ein Transport der Substanz(en) in der Lösung zwischen dem Trennsystem und der Röhre ermöglicht wird. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre (2, 202) auf Höhe des zweiten Endes eine Innenwand mit einer im Wesentlichen konischen (218), ellipsoiden oder paraboloiden Form aufweist, deren eine Fläche in Richtung des ersten Endes gerichtet ist und das Fluoreszenzlicht in Richtung des ersten Endes reflektieren kann, wobei die Röhre einen verglichen mit demjenigen der Austrittsleitung (3, 203) vergrößerten Innenquerschnitt aufweist und eine Zelle zur Fluoreszenzdetektion (16, 216) bildet.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der lokal durch den Anregungslichtstrahl beleuchtete Abschnitt der Röhre (16, 216) im Wesentlichen an das Verbindungsmittel anschließt, so dass die Detektionszelle den Anregungsbereich der Substanz(en) enthält.
  3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende der Röhre gegenüber der Fläche (218) eine Innenschulter (219) mit einem Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen dem Außenquerschnitt der Austrittsleitung entspricht und als Anschlag für den in die Röhre (202) eingesetzten Teil der Austrittsleitung (203) dient.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenquerschnitt der Austrittsleitung im Wesentlichen dem Innenquerschnitt der Einschnürung entspricht, welche zwischen der Schulter und der Seite auf Höhe des zweiten Endes der Röhre definiert wird.
  5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sammelmittel einen Wellenleiter (7, 107, 207) aufweist, wobei ein hohler T-Verbinder (5, 105, 205) zwischen dem Wellenleiter und dem entsprechenden Ende der Röhre angeordnet ist, um sie in der Verlängerung miteinander zu verbinden, wobei ein Seitenarm (30, 130, 230) des Verbinders eine Zirkulation der Lösung und/oder einen Transport der Substanz(en) in der Lösung nach oder von außerhalb der Röhre ermöglicht.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenarm (230) eines ersten T-Verbinders (205) das erste Ende der Röhre mit einem Reservoir (206) verbindet, wobei eine erste Elektrode (217) durch eine Wand des Reservoirs hindurch so angeordnet ist, dass sie sich in Kontakt mit der Lösung befindet, wobei die Lösung elektrisch leitfähig ist und sich in Kontakt mit einer zweiten Elektrode (224) befindet, die von der ersten beabstandet angeordnet ist, wobei die Elektroden so mit einer Spannungsquelle (226) verbunden sind, dass eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Röhre (202) entsteht, um die Substanz(en) durch Elektrophorese wandern zu lassen, wobei der mit dem ersten Sammelmittel verbundene Wellenleiter (207) über den ersten Verbinder mit dem ersten Ende in der Verlängerung der Röhre verbunden ist.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenarm (130) eines zweiten hohlen T-Verbinders (105) das zweite Ende der Röhre mit dem Verbindungsmittel (104) verbindet, wobei der einem zweiten Sammelmittel zugeordnete Wellenleiter (107) durch den zweiten T-Verbinder mit dem zweiten Ende der Röhre in deren Verlängerung verbunden ist.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre (2) ebenfalls auf Höhe des ersten Endes eine Innenwand mit im Wesentlichen konischer, ellipsoider oder paraboloider Form aufweist, deren eine Fläche in Richtung zweitem Ende gerichtet ist und das Fluoreszenzlicht in Richtung des zweiten Endes reflektieren kann.
  9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen konische(n) (218), ellipsoide(n) oder paraboloide(n) Innenwand (Innenwände) der Röhre (2, 202) mit einem oxidationsbeständigen, reflektierenden Material (242) beschichtet ist (sind).
  10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre (2, 202) einen Innendurchmesser bis zu 200 μm für eine Verwendung bei der Kapillarelektrophorese oder μ-HPLC und bis zu 1000 μm zur Verwendung bei der HPLC aufweist.
  11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionsmittel eine Lichtquelle (12, 212) umfasst, die seitlich von dem Kanal beabstandet angeordnet ist, sowie optische Mittel (14, 214), die zwischen der Lichtquelle und dem Kanal angeordnet sind, um den Querschnitt des Anregungslichtstrahls an den Innendurchmesser des Kanals anzupassen.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand der Röhre, abgesehen insbesondere von einem dem Anregungsbereich (216) der Detektionszelle gegenüberliegenden Wandabschnitt, der für den Lichtstrahl (F) transparent bleiben muss, mit einem reflektierenden Material (243) beschichtet ist.
  13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsstrahl (F) einen elliptischen Querschnitt aufweist, wobei die Hauptachse der Ellipse senkrecht zur Längsachse (A) der Kapillarröhre ist und die Nebenachse der Ellipse parallel zur Längsachse (A) der Röhre ist.
  14. Gerät zur chromatographischen oder elektrophoretischen Trennung (35, 235), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Analysevorrichtung (1, 101, 201) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
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