DE69117942T2

DE69117942T2 - Verfahren und vorrichtung zur optischen messung der konzentration eines analyten

Info

Publication number: DE69117942T2
Application number: DE69117942T
Authority: DE
Inventors: Michael Marcus
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1991-01-18
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2011-12-19
Also published as: DE69117942D1; EP0521128A1; JPH05505679A; WO1992013266A1; EP0521128B1; US5212099A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Konzentration von Analyten in fluiden Medien, wie sie in den oberbegriffen der Patentansprüche 1, 3 bzw. 8 beschrieben sind. Solch ein Verfahren und eine Vorrichtung sind aus der EP-A-0 184 600 bekannt.
Es sind eine Vielzahl von Techniken zum Überwachen der Konzentration eines Analyten in einem fluiden Medium entwickelt worden, basierend auf der Wirkung, die der Analyt auf die optischen Eigenschaften des Mediums hat oder basierend auf die Reaktion eines Sensors, der dem Analyten in dem Medium ausgesetzt ist. Beispielsweise ist Kobaltchlorid über Jahrzehnte in verschiedenartigen Indikatoren verwendet worden, die von der Farbänderung der Verbindung als Reaktion auf Änderungen der Umgebungsfeuchtigkeit abhängen. Kobaltbromid, Kupferchlond, Magnesiumchlorid, Nickelchlorid, Kobaltthiocyanat, Bariumchlorid, Kobaltjodid und Vanadiumchlorid, in Alleinverwendung oder in unterschiedlichen Kombinationen, sind ebenfalls als Feuchtigkeitssensoren vorgeführt worden, deren Farbe sich mit den Änderungen der Umgebungsfeuchtigkeit ändert. Derartige Meßverbindungen sind in Kombination mit unterschiedlichen Trägermaterialien wie beispielsweise Polymermatrizen einschließlich Solgelen, Gelatine, Polyvinylpyrrolidon, Nafionpolymer und Polymethylmethacrylat verwendet worden. Diethyaluminiumhydrid-2-Isoquinolinkomplexe sind ebenfalls als Feuchtigkeitsindikatoren verwendet worden. Rhodamin 6G in einer Nafionmatrix ist ebenfalls als Feuchtigkeitsdetektor verwendet worden, da sein Absorptionsmaß bei einer Wellenlänge von 520 nm mit steigender Umgebungsfeuchtigkeit ansteigt und seine Fluoreszenz sich bei 572 nm ebenfalls als eine Funktion der Feuchtigkeit ändert. Es hat sich auch gezeigt, daß Umbelliferonfarbstoff in einer Matrix von Polymethylmethacrylat feuchtigkeitsempfindlich ist, da sein Absorptionsmaß bei 370 nm und seine Fluoreszenz bei 420 nm Funktionen der Feuchtigkeit in der Umgebung sind. Andere Sensoren hängen von einem Löschen der Fluoreszenz ab, beispielsweise diejenigen, die Perylendibutrat und N-substituierte Derivate von Perylentetrakarbonsäure Diimid in geeigneten Polymermatrizen verwenden. Poröse Siliziumoxid/Titanoxid- und Siliziumoxidbeschichtungen sind ebenfalls als Feuchtigkeitssensoren verwendet worden. Umhüllungen optischer Fasern mit Siliziumoxid oder plasmapolymerisiertem Hexamethyldisiloxan und Ammoniak haben sich ebenfalls als feuchtigkeitsempfindlich erwiesen. Zahlreiche Polyimidbeschichtungen sind ebenfalls empfindlich auf Umgebungs feuchtigkeit.
Es sind ebenfalls Reagenzien und andere Materialien bekannt, deren optische Eigenschaften sich als Reaktion auf andere Analyte als der Feuchtigkeit ändern. Die nachfolgenden sind repräsentativ für die vielen Beispiele, die in der Literatur gefunden werden können. Sauerstoff in der Umgebung kann durch Perylendibutyratfarbstoff erfaßt werden, der, wenn er bei 450 nm angeregt wird, bei 520 nm eine grüne Fluoreszenz produziert, wobei diese Fluoreszenz durch Sauerstoff in der Umgebung gelöscht wird. Sauerstoff kann ebenfall durch Pyresinbutryksäure erfaßt werden, deren Fluoreszenz ebenfalls durch Sauerstoff in der Atmosphäre gelöscht wird. Sauerstoff kann durch 9,10 Diphenylanthrazen detektiert werden. Ammoniak kann durch Oxazinperchloratfarbstoff erfaßt werden, dessen Farbe sich reversibel als Reaktion auf Ammoniak in der Umgebung ändert. Bromkresolpurpur ändert sein Absorptionsmaß bei 580 nm infolge des Vorhandenseins von Ammoniak, wobei es sich von gelb nach blau verschiebt. Ammoniak kann auch durch Indophenol mit Kaseinfluorphase detektiert werden, dessen Fluoreszenz sich als Reaktion auf Ammoniak in der Umgebung ändert. Glukose kann mit mit Fluoreszein markiertem Dextran und Concanavillin A auf Sepharose erfaßt werden. Kupferionen in Wasser können durch Inf rarotabsorption bei 820 nm erfaßt werden. Triphenylmethanfarbstoffe ändern das Absorptionsmaß in Gegenwart von vielen organischen Solvenzien. In gleicher Weise ändert sich das Absorptionsmaß von 3,3 Diphenyl- Phtalatkristalviolettlakton in der Gegenwart von vielen organischen Solvenzien. Penicillin kann durch das Enzym Penicillase auf Glutaraldehyd, gebunden mit Fluoreszeinisothiocyanat, erfaßt werden, da das Enzym sich an Penicillin bindet und seine Fluoreszenz löscht. Natriumpikrat wird blau in der Gegenwart von Hydrogencyanid. Jod ändert sich von purpur zu klar in der Gegenwart von Zyanidionen. Sulfationen können unter Verwendung von Bariumchlorid erfaßt werden, daß sich von klar zu weißundurchsichtig ändert. Gallensäure kann unter Verwendung des Reagenz 3a-Hydroxysteroiddehydrogenase zusammen mit dem Coenzym NAD erfaßt werden, da Gallensäure in der Gegenwart des Reagenz NAD zu NADH konvertiert, das bei Anregung bei 340 nm bei 480 nm fluoreszensiert. Eisen kann durch 1,10 Phenanthrolin detektiert werden, das rot wird, wenn die Eisenkonzentration zunimmt. Aluminium kann durch Pyrokatechol detektiert werden, das seine violette Farbe verliert, wenn die Aluminiumkonzentration zunimmt. Oxaninperchlorat ist empfindlich auf das Vorhandensein von Hydrazin und Pyriden. Halogenide können durch Akridin- und Chinolinindikatoren detektiert werden, deren Fluoreszenz durch deren Vorhandensein gelöscht wird. Chlor kann durch Orthokolidin erfaßt werden.
Bei all den genannten Beispielen werden die optischen Eigenschaften des Reagenzmaterials, beispielsweise seine Fluoreszenz, sein Absorptionsmaß, seine Streutendenz, sein Reflexionsgrad oder eine Kombination dieser Charakteristiken geändert, wenn sich die Konzentration in der Umgebung eines speziellen Analyten wie beispielsweise Wasserdampf ändert.
Obwohl verschiedene auf derartige Reagenzien basierende Sensoren entwickelt wurden und einige ein gewisses Maß an Akzeptanz in der Industrie erreicht haben, bestehen weiterhin Probleme, die derartige Sensoren für zahlreiche Anwendungen ungeeignet machen. Die Sensoren neigen dazu, eher langsam auf die Änderungen in der Konzentration des Analyten zu reagieren, wobei sie nicht selten mehrere Sekunden bis hin zu einigen Minuten brauchen, um sich zu stabilisieren, wenn sich die Konzentration ändert. Eine derartige Reaktion ist für viele Anwendungen nicht akzeptabel, insbesondere dort, wo geringe Änderungen in der Konzentration erhebliche Auswirkungen auf einen Herstellungprozeß haben. Die Sensoren werden oftmals leicht dadurch beschädigt, daß sie einer mit dem Analyten gesättigten Umgebung lange ausgesetzt sind, was zu einem Verlust ihrer Funktion hinsichtlich der Empfindlichkeit auf das Reagenzmaterial führt, was eine Neukalibrierung notwendig macht. In einigen Fällen ist eine Sättigung des Sensors praktisch irreversibel, was schließlich einen Ersatz des Sensors erfordert. Wenn der Sensor in eine optische Faser eingefügt ist, erfordert das Brechen der Faser in der empfindlichen Fläche typischerweise eine Neukalibrierung, ebenso wie bei einem Verlust eines beträchtlichen Teils des Reagenzmaterials aus dem empfindlichen Bereich. Die Reaktion einiger Sensoren tendiert dazu, sich langsam infolge von Temperaturverschiebungen und anderen Umgebungseffekten zu verschieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung wird ein Strahl ultravioletter, sichtbarer oder infraroter Strahlungsenergie, vorzugsweise kontinuierlich, in ein Medium gerichtet, das einen Analyten von Interesse enthält, wobei die Strahlung eine Wellenlänge und ein Energieniveau hat, die so ausgewählt sind, daß sie eine meßbare Reaktion des Analyten verursachen. Der Analyt kann durch Fluoreszieren, durch Absorbieren eines Teils der Strahlungsenergie, durch Streuen eines Teils der Strahlungsenergie oder durch Reflektieren eines Teils der Strahlungsenergie reagieren und diese Reaktion wird erfaßt. Periodisch wird ein Störenergieimpuls in das Medium gerichtet, um auf kontrollierte Art und Weise die Reaktion des Analyten auf den Strahl Strahlungsenergie zu ändern und die Reaktion wird erfaßt, während die Reaktion sich infolge des Störimpulses ändert, nach jedem Störimpulsbeginn oder -ende oder sowohl als auch. Der Störimpuls kann ultraviolette, sichtbare oder inf rarote Strahlungsenergie, akustische Energie, Energie von einem elektrischen oder magnetischen Feld, Energie von einem Mikrowellengenerator oder Energie von einer Wärmequelle sein, abhängig von dem Medium und dem in Betracht gezogenen Analyten. Die zeitliche Änderungsrate der Reaktion wird bestimmt und mit der Konzentration des Analyten korreliert. Vorzugsweise ist die Reaktion eine Anderung in der Strahlungsintensität, die das Medium verläßt, welche mit der Konzentration des Analyten korreliert werden kann, indem die zeitliche Änderungen der Intensität gemessen wird.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung wird ein Reagenz bereitgestellt, dessen optische Eigenschaften sich als Reaktion auf die Konzentration des Analyten ändern. Das Reagenz kann durch Fluoreszieren, durch Absorbieren eines Teils der Strahlungsenergie, durch elastisches oder nichtelastisches Streuen eines Teils der Strahlungsenergie oder durch Reflektieren eines Teils der Strahlungsenergie reagieren. Das Reagenz wird dem Analyten in einem Medium ausgesetzt und ein Strahl ultravioletter, sichtbarer oder infraroter Strahlungsenergie wird auf das Reagenz gerichtet bei einer Wellenlänge und einem Energieniveau, die so ausgewählt sind, daß der Strahl Strahlungsenergie beeinflußt wird als eine Funktion der Konzentration des Analyten, und die Wirkung des Reagenzes auf den Strahl wird erfaßt. Ein Störenergieimpuls wird periodisch in das Reagenz gerichtet, um auf kontrollierte Art und Weise die optischen Spektralcharakteristiken des Reagenzes als eine Funktion der Konzentration des Analyten zu ändern, und die Wirkung des Reagenzes auf den Strahl wird erfaßt, während die Reaktion sich infolge des Störimpulses ändert, nachdem jeder Störimpuls begonnen oder geendet hat oder sowohl als auch. Die Störimpulse können ultraviolette, sichtbare oder infrarote Strahlungsenergie, akustische Energie, Energie von einem elektrischen oder magnetischen Feld, Energie von einem Mikrowellengenerator oder Energie von einer Wärmequelle sein, abhängig von dem Medium, dem Reagenz und dem ins Auge gefaßten Analyten. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Reaktion oder Wirkung des Reagenzes eine Änderung der Strahlungsintensität, die aus dem Reagenz austritt, die durch Messen der zeitlichen Änderungsrate der Intensität mit der Konzentration korreliert werden kann.
Vorzugsweise werden der Strahl der Strahlung und der Störimpuls durch eine oder mehrere optische Fasern in das Medium oder Reagenz gerichtet. Wenn ein Reagenz verwendet wird, kann es in eine Beschichtung oder Umhüllung der Faser an über die Länge der Faser verteilten Stellen oder an der Spitze der Faser, die in das den Analyten enthaltende Medium eingetaucht ist, eingefügt sein. Der Strahlungsstrahl kann durch die optische Faser direkt durch das Medium oder das Reagenz übertragen werden oder kann von der Faser emittiert werden und auf einen Sensor fokussiert werden, der mit dem Reagenz beschichtet ist, das die Strahlung im Verhältnis zu der Konzentration des Analyten zurück in die optische Faser reflektiert. Es können auch ebene optische Wellenleiter verwendet werden, um den Strahlungsstrahl auf das Medium oder auf das Reagenz zu richten, das eine Beschichtung auf dem Wellenleiter bilden kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch ein optisches Fasersystem zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt graphisch die Art der Reaktion optischer Sensoren aus dem Stand der Technik auf sprunghafte Änderungen der Konzentration des Analyten.
Fig. 3 und 4 zeigen graphisch die Art der Reaktion eines optischen Fasersystems gemäß der Erfindung.
Fig. 5 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem zwei Lichtquellen mit einem einzelnen Sensorelement gekoppelt sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele In dem Ausführungsbeipiel nach Fig. 1 erstreckt sich eine optische Faser 10 in einen Raum 12, beispielsweise einen Strömungsdurchtritt oder ein Strömungsgebiet für ein fluides Medium, das einen Analyten von Interesse enthält. In dem Raum 12 kann die Faser 10 optisch mit einer Umhüllung oder Beschichtung 14 gekoppelt sein, die ein Reagenz umfaßt, dessen optische Eigenschaften sich als Reaktion auf Änderungen der Konzentration des Analyten in dem fluiden Medium ändern. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Faser 10 innerhalb des Raums 12 mit einer nicht dargestellten porösen Membrane zu umgeben, die es ermöglicht, daß nur Dämpfe des Analyten die Umhüllung oder Beschichtung 14 erreichen und dazu beiträgt, ein Überbelasten oder Sättigen des Sensors zu verhindern. In jedem Fall verursachen Änderungen der Konzentration des Analyten entsprechende Änderungen der Intensität der Strahlungsenergie, die von der Faser 10 emittiert oder längs dieser zurück reflektiert wird, nachdem die Beschichtung 14 auf diese eingewirkt hat. Ein vorzugsweise kontinuierlicher Strahl von ultravioletter, sichtbarer oder infraroter Strahlungsenergie wird von einer Quelle 16 an die Faser 10 abgegeben bei einer Wellenlänge und einem Energieniveau, bei denen die Empfindlichkeit des Reagenzes in der Beschichtung 14 im Hinblick auf Änderungen in der Konzentration des Analyten optimiert ist. Die Strahlungsenergie kann von der Faser 10 emittiert werden und von dem Raum 12 zu einem geeigneten Detektor geleitet werden, der die Intensität der Strahlungsenergie mißt. Anstatt Licht von dem Ende der Faser 10 zu dem Detektor zu emittieren, gehört es ebenfalls zum Umfang der Erfindung, Strahlungsenergie zurück längs der Faser zu einem Detektor zu reflektieren, wie dies unter Bezug auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 diskutiert werden wird. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, einen Filter 20 stromaufwärts von dem Detektor 18 einzuschließen, um den Detektor 18 vor bestimmter Strahlung zu schützen, beispielsweise derjenigen, die durch die gepulste Strahlungsenergiequelle geliefert wird, die im folgenden Abschnitt diskutiert wird.
Erfindungsgemäß gibt eine zweite, gepulste Strahlungsenergiequelle 22 periodisch Störstrahlungsenergieimpulse mittels eines üblichen optischen Kopplers 24 in die Faser 10 ein. Die Störimpulse sind hinsichtlich ihrer Wellenlänge und des Energieniveaus so ausgewählt, daß sie auf eine kontrollierte Art und Weise die optischen Spektralcharakteristiken des Reagenzes in der Beschichtung 14 als eine Funktion der Analytenkonzentration ändern, wodurch sie die Wirkung des Reagenzes auf die von der Faser 10 an den Detektor 18 emittierte Strahlungsenergie ändern. Somit wird die Änderung der Wirkung des Reagenzes durch hinzugeben von Energie zu dem Reagenz erzielt, die einen Anstieg der Temperatur des Reagenzes, eine Phasenänderung des Reagenzes oder eine Desorption des Analyten bewirkt. Die Störimpulse können vorzugsweise ultraviolette, sichtbare oder inf rarote Strahlungsenergie sein, die gewünschte Änderung der Wirkung des Reagenzes kann jedoch, wie ebenfalls im Hinblick auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 diskutiert, auch durch akustische Energie, Energie von einem elektrischen oder magnetischen Feld, Energie von eine Mikrowellengenerator oder Energie von einer Wärmequelle erreicht werden, abhängig von der gewünschten Anwendung und dem in Betracht gezogenen Analyten. Was auch immer die Quelle des Störimpulses ist, seine Funktion ist es, die Menge des Analyten zu ändern, die in dem Strahlungsweg der Strahlung von der Quelle 16 vorhanden ist, die somit die optische Übertragung, Fluoreszenz, Streuung oder Reflexionsfähigkeit infolge des Vorhandenseins des Analyten ändert.
Allgemein ist die durch den Störimpuls an das System abgegebene Energiemenge durch den Absorptionskoeffizienten des Mediums bei der Wellenlänge des Störimpulses gegeben. Es sei Pi die Leistung in Watt des auf treffenden Storimpulses, Pa die Leistung in Watt des absorbierten Störimpulses und Pt die Leistung in Watt des übertragenen Störimpulses. Die optische Dichte OD des Mediums kann wie folgt ausgedrückt werden:
OD = log(Pi/Pt) = ecl,
wobei e der molare Absorptionskoeffizient des absorbierenden Materials in Liter pro Mol-cm ist, c die Konzentration des absorbierenden Materials und 1 die effektive Länge ist, über die Absorption stattfindet. Die Menge der von dem Meßmedium absorbierten Energie kann wie folgt ausgedrückt werden:
Pa = Pi-Pt
Die absorbierte Energie wird in dem Medium in Wärme umgewandelt. Dieser Wärmeeingang kann dazu verwendet werden, das Medium zu erwärmen oder einen Phasenwechsel von flüssig zu dampfförmig zu bewirken oder eine Desorption des Analyten von dem Medium zu bewirken. Für den Temperaturanstieg gilt die folgende Beziehung:
Pa = mcpDT/Dt
wobei m die Masse des absorbierenden Mediums ist, cp die Wärmekapazität des absorbierenden Mediums ist, DT die Temperaturänderung und Dt die Pulsdauer ist. Für einen Phasenwechsel lautet die entsprechende Beziehung:
Pa = mLt/Dt
wobei Lt die latente Umwandlungswärme ist.
Als ein Beispiel des Verhaltens des erfindungsgemäßen Systems sei eine Störimpulsdauer von einer Sekunde mit einer Eingangsleistung von 250 mW angenommen. Es sei eine 10 cm lange optische Faser mit einem 200 mm Kern angenommen, der mit einer 2 µm dicken Umhüllungsschicht aus Siliziumdioxid beschichtet ist, die eine kleine Menge eines infrarot absorbierenden Farbstoffes enthält, der eine optische Dichte von 1,0 bei 830 nm hat. Der molare Absorptionskoeffizient e von Laserfarbstoff IR-140, hergestellt von der Eastman Kodak Company, ist 1,5 x 10&sup5; L/mol-cm. Die absorbierte Leistung ist 225 mW. Die Dichte des Siliziumdioxid ist 2 g/cc. Das Volumen des absorbierenden Materials ist 1,27 x 10&supmin;&sup7; cc. Wenn angenommen wird, daß keine Wärme aus dem Kern der Faser diffundiert, berechnet sich der mögliche Gleichgewichtstemperaturanstieg für Siliziumdioxid (cP -10,62 cal/deg-mol = 0,74 J/g) zu 1,2 x 106 Grad Celsius, eine offensichtlich unrealistische Zahl. Da jedoch die Wärme tatsächlich in das gesamte Volumen der Faser diffundiert, würde das aktive Volumen 0,013 cc sein und der Anstieg der Gleichgewichtstemperatur berechnet sich zu 11,7 Grad Celsius für den Störimpuls von einer Sekunde unter der Annahme, daß die Wärme auf den 10 cm langen Faserabschnitt begrenzt ist. In der tatsächlichen Praxis würde ein erheblich niedrigerer Temperaturanstieg erwartet infolge von Materialumwandlungen oder -übergängen.
Durch Messen der zeitlichen Änderungsrate der Intensität der emittierten Strahlungsenergie vor, während oder nach derartigen Störimpulsen oder während aller drei Zeitabschnitte kann die Konzentration des Analyten schnell und akkurat festgestellt werden. Wie schematisch in Fig. 1 angezeigt, leitet eine Steuervorrichtung 24, beispielsweise ein Universalcomputer, den Betrieb der Quellen 16 und 22. In Übereinstimmung mit der Erfindung empfängt ein Flankendiskriminator 26, der tatsächlich ein Teil der Steuervorrichtung 24 sein kann, den Output des Detektors 18, bestimmt die zeitliche Änderungsrate der Intensität und überträgt die Änderungsrate zu der Steuervorrichtung 24. In der Steuervorrichtung 24 ist eine Nachschlagetabelle vorgesehen, die bestimmte Kombinationen von Zeit, Intensität und Steigung auf bestimmte Konzentrationen des Analyten bezieht, basierend auf zuvor vervollständigten Kalibrierdaten für einen gegebenen Analyten. Die Steuervorrichtung 24 korreliert dann die gemessenen Zeiten, Steigungen und Intensitäten mit der Konzentration des Analyten und liefert einen Output an ein Display 28.
Die Fig. 2 zeigt graphisch, wie typische optische Sensoren gemäß dem Stand der Technik auf sprunghafte Änderungen in der Konzentration eines Analyten in dem umgebenden Medium reagieren. Die Darstellung von Fig. 2 basiert auf Daten, die von Mahmoud R. Shahriari, George H. Sigel und Quan Zhou in einem Artikel mit dem Titel "Porous Fiber Optic for a High Sensitivity Humidity Sensor" (Poröse Faseroptic für einen hochempfindlichen Feuchtigkeitssensor), (Rutgers University, Fiber Optic Materials Research Program) Proceedings of the Optical Fiber Society, Januar 1988, Seiten 373-381 berichtet wurden; die Art der gezeigten Reaktion ist jedoch typisch für bekannte optische Sensoren der Art, wie sie in dieser Beschreibung unter der Überschrift Technischer Hintergrund diskutiert wurden. Wie in Fig. 2 gezeigt, produzieren die sprunghaften Zunahmen A, B und C in der Konzentration des in Betracht gezogenen Analyten eine steigende Intensität des übertragenen Lichts, bis ein Plateau erreicht ist. Wenn daraufhin der in Betracht gezogene Analyt entfernt wird, geht die Intensität zurück auf einen Grundlinienwert. Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt die Zeit bis zum Erreichen eines stabilen Wertes in der Größenordnung von Minuten für die Detektion von Feuchtigkeit und liegt ebenfalls in der Größenordnung von Minuten, um zurück auf den Grundlinienwert abzufallen. Ähnlich lange Zeiten bis zum Erreichen stabiler Werte sind für andere Sensortypen berichtet worden.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist herausgefunden worden, daß für ein gegebenes Intensitätsniveau die ansteigenden und abfallenden Änderungsraten der Intensität bezüglich der Zeit proportional zu der Konzentration des in Betracht gezogenen Analyten sind. Somit kann unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 die Konzentration eines Analyten schnell und akkurat gemessen werden. Die Fig. 3 und 4 zeigen graphisch, wie sich die Intensität des Lichts, das den Detektor 18 erreicht, bei einer konstanten Konzentration des Analyten als Reaktion auf Störimpulse von der Quelle 22 für Reagenzien ändert, deren optische Absorption als Reaktion auf den Störimpuls zunimmt. Ähnliche Reaktionen werden erreicht, wenn die Konzentration zum Zeitpunkt der Messung zunimmt oder abnimmt. Wenn der Sensor Absorption oder Fluoreszenz als Reaktion auf Änderungen der Konzentration des Analyten löscht, würden sich die Signale in der entgegengesetzten Richtung ändern. In jedem Fall haben für eine gegebene Konzentration des Analyten die zeitlichen Änderungsraten der zunehmenden und abnehmenden Intensität charakteristische Werte bei gegebenen Zeiten und Intensitätsniveaus, die für eine gegebene Kombination eines Reagenz und eines Analyten ermittelt und in der Steuervorrichtung 24 gespeichert werden können, wie zuvor erwähnt. In dem Beispiel von Fig. 3 ist die Intensität zunächst konstant dargestellt, was eine konstante Konzentration des Analyten und stabile Bedingungen anzeigt, bis ein Störstrahlungsenergieimpuls von der Quelle 22 angelegt wird, der verursacht, daß die Intensität abzunehmen beginnt infolge der Wirkung des Störimpulses auf den Analyten in der Beschichtung 14. Tatsächlich treibt die Wärme des Störimpulses zumindest einen Teil des Analyten aus, so daß das Intensitätsniveau auf eine bestimmte Basiswertgröße abfällt. Um die Vorrichtung zu kalibrieren, wird eine Familie von Kurven, wie sie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, für unterschiedliche Konzentrationen des Analyten aufgedruckt. Diese Kurven werden dann in exponentiale oder polynomische Formeln eingepaßt, die ein Bestimmen der Steigung der Kurve als eine Funktion von Zeit und Konzentration des Analyten erlauben. Wie dies für den Fachmann verständlich ist, gibt eine Überprüfung der Kurvenfamihe Zeitpunkte nach jedem Beginn oder Ende des Störimpulses oder sowohl als auch an, an dem die Steigung der Kurve gemessen werden sollte, um eine akkurate Messung der Konzentration des Analyten zu ergeben. Für ein System erster Ordnung wird eine gemessene Steigung an einem Punkt typischerweise eine akkurate Messung ergeben, während für Systeme zweiter und höherer Ordnungen Steigungen an zwei oder mehreren Zeitpunkten benötigt werden, um die Konzentration akkurat zu messen. Wenn der Störabstand oder Rauschabstand ungünstig ist, können die Steigungen über mehrere Zyklen gemessen und gemittelt werden, um akkuratere Ausgabewerte zu erhalten.
In einem Medium, in dem Wasser durch die Störimpulse von flüssig zu dampf förmig umgewandelt wird, kann ein Impuls mit einer Leistung von 225 mW über eine Sekunde etwa 0,01 g flüssiges Wasser in Dampf umwandeln, wobei die Umwandlungswärme von Wasser 22,6 J/g ist. Wenn ein 60 mm dicker Millipore Filter mit einer offenen Fläche von 40 % um den zuvor beschriebenen optischen Fasersensor vorgesehen ist, hat der Filter ein Volumen von etwa 0,005 cc und hält 0,002 g Wasser. Wenn der Störimpuls absorbiert wird, kann er somit das gesamte Wasser in dem Filter in etwa 0,2 Sekunden trocknen. Dieses Verhalten wurde unter Verwendung einer 200/230 mm Polymerhüllensilikonfaser, Model PN 15-200B von General Fiber Optics Corporation beobachtet. Die Kunststoffumhüllung wurde abgestreift und durch eine Gelatinelösung mit 0,02 g/cc von CoCl&sub2; und 0,013 g/cc von Kodak Laserfarbstoff IR-100 ersetzt. Ein 10 cm langer Abschnitt der Faser wurde beschichtet, indem er in die Gelatinelösung eingetaucht und bei 100 Grad Celsius getrochnet wurde. Stärkemessungen und Mikroskopie wurden verwendet, um die Beschichtungsdicke von etwa 2 mm zu ermitteln. Ein der Quelle 16 entsprechender 25 mW, 670 nm LED und eine der Quelle 22 entsprechende 1 W, 830 nm Laserdiode wurden in dem Meßmedium mittels eines bekannten Amphenol 2xl Kopplers an die Faser gekoppelt. Ein Fotodetektor wurde am anderen Ende der Faser plaziert. Bei einer relativen Feuchte von 25 % hatte die Meßfaser eine effektive optische Dichte von 1,2 bei 670 nm und bei einer relativen Feuchte von 95 % hatte sie eine effektive optische Dichte von 0,2 bei 670 nm. Die Absorptionsfähigkeit bei 830 nm war 1,0, unabhängig von der relativen Feuchte. Der aktive Sensorbereich wurde in einen 60 mm dicken Millipore Filter eingewickelt mit einer offenen Fläche von 40 % und in Wasser eingetaucht. Vor dem Detektor wurde ein Reihenfilter plaziert, um Licht oberhalb von 730 nm abzuschneiden. Beim Versuch erschien der aktive Sensorabschnitt rosa in Wasser. Wenn der Laserstörimpuis in Intervallen von einer Sekunde für eine Sekunde eingeschaltet wurde, wurde der Sensorabschnitt innerhalb etwa 0,3 Sekunden bläulich. Wie bei "m" in Fig. 3 angezeigt, kann die zeitliche Änderungsrate der Intensität in einem derartigen System gemessen werden, nachdem jeder Störimpuls beginnt oder endet oder sowohl als auch, wobei die präzisen Zeiten für die Messung während der Kalibrierung bestimmt werden, wie zuvor beschrieben.
In dem in Fig. 1 gezeigten und in dem vorherigen Beispiel beschriebenen Sensor wird der Analyt durch das Reagenz in der Beschichtung 14 absorbiert, was eine Änderung der Intensität der Strahlungsenergie bewirkt, die von der optischen Faser 10 übertragen wird. Der Störimpuls treibt einen Teil des Analyten aus, um eine Änderung der Intensität derart zu bewirken, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Erfindung ist jedoch ebenfalls nützlich, wenn das Reagenz fluoresziert und der Analyt eine Änderung dieser Fluoreszenz bewirkt. Beispielsweise kann ein Reagenz wie Perylendibutryat auf eine optische Faser 10 mittels einer Beschichtung in Gelatine aufgebracht werden und wird dazu tendieren, zu floureszieren, wenn der Strahl der Strahlungsenergie von der Quelle 16 bei 450 nm liegt, und die Intensität dieser Fluoreszenz ist eine Funktion der Konzentration von Sauerstoff in dem umgebenden Medium. Wenn daraufhin ein Störimpuls von 350 nm aufgebracht wird, wird der Analyt von dem Reagenz getrieben, um Änderungen in der Intensität der Fluoreszenz des allgemeinen Typs zu bewirken, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. In gleicher Weise wird, wenn ein Reagenz wie Polyvinylpyriden auf einer reflektierenden Oberfläche aufgetragen ist, zu der die optische Faser 10 Strahlungsenergie hin emittiert, der Grad der Reflexionsfähigkeit der Oberfläche eine Funktion der Konzentration von halogenhaltigen organischen Stoffen in dem umgebenden Medium sein. Wenn in diesem Fall ein Störimpuls bei 920 nm aufgebracht wird, wird der Analyt von der beschichteten Oberfläche des Spiegels getrieben, um eine Änderung in der Reflexionsfähigkeit des gleichen allgemeinen Typs zu erzeugen. Und, wenn eine Detektion durch Messen von Raman-gestreuter Strahlungsenergie erfolgen soll, kann ein Reagenz wie etwa ein poröses Solgel mit absorbiertem Farbstoff auf der Faser aufgetragen sein und die Intensität der unter einem gegebenen Winkel gemessenen Streuung wird eine Funktion der Konzentration des Analyten in dem Medium sein, wenn ein bestimmtes Analytenband betrachtet wird. Wenn daraufhin Störimpulse bei dem Absorptionsmaximum des Farbstoffs aufgebracht werden, wird der Analyt ausgetrieben, um Änderungen in der Intensität des Streuens des gleichen allgemeinen Typs zu erzeugen. Die Anwendung von Störimpulsen und Steigungsmessungen gemäß der Erfindung kann somit über einen weiten Bereich von Analyten und Meßreagenzien angewandt werden.
Die Erfindung kann dazu angewandt werden, Konzentrationen in fluiden Medien von Analyten zu messen, die direkt auf Strahlungsenergie reagieren durch Fluoreszieren oder durch Absorbieren, Streuen oder Reflektieren eines Teils der Strahlungsenergie. Wie in dem Fall, in dem ein Reagenz verwendet wird, muß die Reaktion zwischen dem Analyten und der Strahlungsenergie in einer kontrollierten Art und Weise durch das Aufbringen eines Störenergieimpulses veränderbar sein. Wenn das Vorhandensein des Analyten in dem Medium eine Änderung in der Intensität der Strahlungsenergie bewirkt, die von der optischen Faser 10 durch den Raum 12 übertragen wird, beeinflußt der Analyt die Tendenz des Mediums, Strahlungsenergie zu absorbieren. Beispielsweise zeigt ein Analyt wie etwa Kupferionen in einem Medium wie etwa Wasser eine hohe Absorption bei 820 nm. In einem solchen Fall treibt ein Störimpuls einen Teil des Analyten in dem Lichtweg aus, um eine Änderung in der Intensität des in Fig. 3 gezeigten Typs zu erzeugen. Die Erfindung ist ebenfalls dort nützlich, wo das Medium fluoresziert und der Analyt eine Änderung dieser Fluoreszenz bewirkt. Zahlreiche Phenole tendieren dazu, zu fluoreszieren, wenn der Strahl ultravioletter Strahlungsenergie von der Quelle 16 aufgebracht wird, und die Intensität dieser Fluoreszenz ist eine Funktion der Konzentration der Phenole in dem umgebenden Medium. Wenn daraufhin ein Störimpuls aufgebracht wird, werden die Phenole von dem Lichtweg getrieben, um Änderungen in der Intensität der Fluoreszenz des allgemeinen Typ zu erzeugen, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. Gasolin kann detektiert werden unter Verwendung einer optischen Faser mit einer porösen Umhüllung, die einen Brechungsindex hat, der etwa gleich demjenigen von Gasolin ist, so daß, wenn die Umhüllung Gasolin absorbiert, mehr Licht durch die Umhüllung übertragen wird. In gleicher Weise ist, wenn ein Analyt vor einer reflektierenden Oberfläche vorhanden ist, zu der die optische Faser 10 Strahlungsenergie emittiert, die Menge der reflektierten Energie bei Absorptionsfähigkeitsbändern des Analyten eine Funktion der Konzentration des Analyten in dem Medium. Wenn in einem solchen Fall ein Störimpuls bei einem zweiten Absorptionsband des Analyten angelegt wird, wird der Analyt von dem Lichtweg getrieben, um Änderungen im Verhalten zu erzeugen. Und, wenn eine Detektion durch Messen von gestreuter Strahlungsenergie erfolgen soll, ist die Intensität der gestreuten Strahlung wie beispielsweise Fluoreszenz oder Raman-Streuung eine Funktion der Konzentration des Analyten in dem Medium. Wenn daraufhin Störimpulse in einem Absorptionsband des Analyten angelegt werden, wird der Analyt aus dem Lichtweg getrieben, um Änderungen in der Intensität der Streuung desselben allgemeinen Typs zu erzeugen. Die Anwendung von Störimpulsen und Steigungsmessungen gemäß der Erfindung kann somit über einen weiten Bereich von Analyten und Medien angewandt werden.
Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches mehrfache Lichtquellen und einen Reflexionssensor umfaßt. In diesem Fall wird die Beschichtung 14 auf die Spitze der Faser 10 aufgebracht, so daß sich die Intensität des Lichtes ändert, die längs der Faser zurückreflektiert wird, wenn sich die Konzentration des Analyten ändert. Ein vorzugsweise kontinuierlicher Strahl von Strahlungsenergie wird von einer Quelle 30 über Koppler 32 und 34 bei einer ersten Wellenlänge und einem Energieniveau, bei dem die Empfindlichkeit der Beschichtung 14 hinsichtlich Änderungen der Konzentration des Analyten in dem die Beschichtung 14 umgebenden Mediums optimiert ist, in die Faser 10 eingegeben. Zumindest ein Teil der Strahlungsenergie wird längs der Faser 10 über die Koppler 34 und 32 durch einen optionellen Filter 36 zu einem Detektor 38 reflektiert. Eine zweite, gepulste Strahlungsenergiequelle 40 gibt periodisch Störstrahlungsenergieimpulse über den Koppler 34 in die Faser 10. Die Störimpulse liegen bei einer Wellenlänge und einem Energieniveau, das so ausgewählt ist, daß in kontrollierter Art und Weise die Wirkung des Analyten auf das Reagenz in der Beschichtung 14 geändert wird, wodurch die Wirkung der Beschichtung auf die Strahlungsenergie geändert wird, die längs der Faser 10 zu dem Detektor 38 zurück reflektiert wird. Gleichzeitig wird ein vorzugsweise kontinuierlicher Strahl von Strahlungsenergie von einer dritten Quelle 42 über Koppler 44 und 34 bei einer zweiten Wellenlänge und einem Energieniveau, bei dem die Empfindlichkeit der Beschichtung 14 bezüglich Änderungen in der Konzentration des Analyten in dem umgebenden Medium optimiert ist, in die Faser 10 eingegeben. Alternativ kann die Strahlungsenergie von der Quelle 40 so ausgewählt sein, daß sie bewirkt, daß die Beschichtung 14 hinsichtlich eines unterschiedlichen Analyten empfindlich ist. Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs der Erfindung, in der Beschichtung 14 zwei oder mehrere Reagenzien einzuschließen, die unterschiedlich auf einen gegebenen Analyten oder auf unterschiedliche Analyten reagieren, um es so zu ermöglichen, Messungen für einen Analyten oder Messungen für unterschiedliche Analyten mit einem einzelnen Sensor zu bestätigen. In jedem Fall ändern die Impulse von der Quelle 40 in einer kontrollierten Art und Weise die Wirkung des Analyten auf das Reagenz in der Beschichtung 14, wodurch die Wirkung der Beschichtung auf die Strahlungsenergie verändert wird, die längs der Faser 10 auf den Detektor 48 zurück reflektiert wird. Wie zuvor erwähnt, kann der Störimpuls ultraviolette, sichtbare oder infrarote Strahlungsenergie, akustische Energie, Energie von einem elektrischen oder magnetischen Feld, Energie von einem Mikrowellengenerator oder Energie von einer Wärmequelle sein, abhängig von dem Reagenz und dem in Betracht gezogenen Analyten. Wenn ein Störimpuls in einer anderen Form als Strahlungsenergie verwendet wird, kann eine übliche Quelle 50 für einen derartigen Impuls in der Nähe der Beschichtung 14 angeordnet sein, wie schematisch in beiden Fig. 1 und 5 angezeigt, um das Aufbringen des Störimpulses zu ermöglichen.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium, wobei ein Strahl Strahlungsenergie in das Medium geleitet wird bei einer Wellenlänge, die so ausgewählt ist, daß sie eine Reaktion des Analyten verursacht, gekennzeichnet durch die Schritte:

periodisches Richten eines Störenergieimpulses in das Medium, um in einer kontrollierten Art und Weise die Reaktion des Analyten auf den Strahl von Strahlungsenergie zu ändern;

Detektieren der Reaktion des Analyten auf den Strahl von Strahlungsenergie, während sich die Reaktion infolge des Einflusses des Störimpulses ändert, nachdem der Störimpuls begonnen hat oder beendet ist oder sowohl als auch;

Bestimmen der zeitlichen Änderungsrate der Reaktion; und

Korrelieren der zeitlichen Änderungsrate mit der Konzentration des Analyten in Übereinstimmung mit gespeicherten Kalibrierdaten für diesen Analyten, um die Konzentration des Analyten zu bestimmen.

2. Verfahren zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium, wobei ein Reagenz bereitgestellt ist, dessen optische Eigenschaften sich als Reaktion auf die Konzentrationen des Analyten ändern, wobei das Reagenz dem Analyten in dem Medium ausgesetzt wird, ein Strahl von Strahlungsenergie in das Reagenz gerichtet wird bei einer Wellenlänge, die so ausgewählt ist, daß der Strahl von Strahlungsenergie als eine Funktion der Konzentration des Analyten beeinflußt wird, gekennzeichnet durch die Schritte:

Leiten eines Störenergieimpulses in das Reagenz, um die optischen Spektralcharakteristiken des Reagenzes als eine Funktion der Konzentration des Analyten in einer kontrollierten Art und Weise zu ändern,

Detektieren der Wirkung des Reagenzes auf den Strahl von Strahlungsenergie, während sich die Reaktion infolge des Einflusses des Störimpulses ändert, nachdem der Störimpuls begonnen hat oder beendet ist oder sowohl als auch;

Bestimmen der zeitlichen Änderungsrate der Wirkung; und

Korrelieren der zeitlichen Änderungsrate mit der Konzentration des Analyten in Übereinstimmung mit gespeicherten Kalibrierdaten für den Analyten, um die Konzentration des Analyten zu bestimmen.

3. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium mit einer Einrichtung (16, 30) zum Richten eines Strahls von Strahlungsenergie in das Medium bei einer ersten Wellenlänge, die so ausgewählt ist, daß sie eine Reaktion des Analyten verursacht, gekennzeichnet durch:

eine Einrichtung (22, 40) zum Richten eines Störenergieimpulses in das Medium, um in einer kontrollierten Art und Weise die Reaktion des Analyten auf den Strahl von Strahlungsenergie zu ändern;

eine Einrichtung (18, 38, 48) zum Detektieren der Reaktion des Analyten auf den Strahl von Strahlungsenergie, während sich die Reaktion infolge des Einflusses des Störimpulses ändert, nachdem der Störimpuls begonnen hat oder beendet ist oder sowohl als auch, und

eine Einrichtung (24) zum Speichern von Kalibrierdaten, die sich auf die Änderung der zeitlichen Änderungsrate mit der Konzentration des Analyten beziehen, und zum Korrelieren der zeitlichen Änderungsrate zu der Konzentration des Analyten, um die Konzentration zu bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reaktion eine Änderung in der Intensität der Strahlung ist, die aus dem Medium austritt, und die Einrichtung (26, 28) zum Detektieren die zeitliche Änderungsrate der Intensität mißt, während sich die Reaktion infolge des Einflusses des Störimpulses ändert, nachdem der Störimpuls begonnen hat oder beendet ist oder sowohl als auch.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung zum Richten eines Strahls eine kontinuierliche Strahlungsenergiequelle sowie eine optische Faser zum Empfangen von Strahlungsenergie von der kontinuierlichen Quelle an einem Ende und zum Emittieren von Strahlungsenergie von der kontinuierlichen Quelle in das Medium an dem anderen Ende umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Richten eines Störimpulses eine intermittierende Strahlungsenergiequelle sowie Mittel zum Koppeln von Strahlung von der intermittierenden Quelle in die optische Faser umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Richten eines Störimpulses eine intermittierende Strahlungsenergiequelle und eine optische Faser zum Aufnehmen des Impulses an einem Ende und zum Emittieren des Impulses in das Medium an dem anderen Ende umfaßt.

8. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium mit einem Sensorelement (14), das ein

Reagenz aufweist, dessen optische Eigenschaften sich als Reaktion auf die Konzentration des Analyten ändern, mit einer Einrichtung (12), die dazu dient, das Reagenz dem Analyten in dem Medium auszusetzen, und mit einer Einrichtung (16), die dazu dient, einen Strahl von Strahlungsenergie in das Reagenz zu richten bei einer Wellenlänge, die so ausgewählt ist, daß sie den Strahl von Strahlungsenergie als eine Funktion der Konzentration des Analyten beeinflußt, gekennzeichnet durch:

eine Einrichtung (22), die dazu dient, einen Störenergieimpuls in das Reagenz zu richten, um in einer kontrollierten Art und Weise die optischen Spektraleigenschaften des Reagenzes als eine Funktion der Konzentration des Analyten zu ändern;

eine Einrichtung (18), die dazu dient, die Wirkung des Reagenzes auf den Strahl von Strahlungsenergie zu detektieren, während sich die Reaktion infolge des Einflusses des Störimpulses ändert, nachdem der Störimpuls begonnen hat oder beendet ist oder sowohl als auch, und eine Einrichtung (24) zum Speichern von Kalibrierdaten, die sich auf die Änderung der zeitlichen Änderungrate mit der Konzentration des Analyten beziehen, und zum Korrelieren der zeitlichen Anderungsrate mit der Konzentration des Analyten, um die Konzentration zu bestimmen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Reaktion eine Änderung in der Strahlungsintensität ist, die das Reagenz verläßt, und die Detektionseinrichtung die zeitliche Änderungsrate der Intensität mißt, während sich die Reaktion infolge des Einflusses des Störimpulses ändert, nachdem der Störimpuls begonnen hat oder beendet ist oder sowohl als auch.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zum Richten eines Strahl gekennzeichnet ist durch eine kontinuierliche Strahlungsenergiequelle sowie eine optische Faser zum Aufnehmen von Strahlungsenergie von der kontinuierlichen Quelle an einem Ende und zum Emittieren von Strahlungsenergie von der kontinuierlichen Quelle in den Sensor.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zum Richten eines Störimpulses gekennzeichnet ist durch eine intermittierende Strahlungsenergiequelle sowie Mittel zum Koppeln von Strahlung von der intermittierenden Quelle in die optische Faser.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das optische Sensorelement gekennzeichnet ist durch einen Teil der optischen Faser und das Reagenz in einer reflektierenden Beschichtung auf der Spitze der optischen Faser umfaßt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Sensorelement gekennzeichnet ist durch einen Teil der optischen Faser und das Reagenz in einer Beschichtung umfaßt ist, die zumindest einen Teil der optischen Faser umgibt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zum Richten eines Störimpulses gekennzeichnet ist durch eine intermittierende Strahlungsenergiequelle und eine optische Faser zum Aufnehmen des Impulses an einem Ende und zum Emittieren des Impulses in den Sensor.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Sensorelement gekennzeichnet ist durch einen Wellenleiter mit einer Beschichtung, die das Reagenz beinhaltet.