DE69729444T2

DE69729444T2 - Nicht-invasive messung von optisch-aktiven verbindungen

Info

Publication number: DE69729444T2
Application number: DE69729444T
Authority: DE
Inventors: Larry J. PEZZANITI; M. John LINDBERG
Original assignee: Abbott Laboratories
Current assignee: Abbott Laboratories
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: DE69729444D1; EP0891151B1; US5788632A; EP1437086A1; CA2249566A1; ES2231864T3; ATE268565T1; EP0891151A1; WO1997034521A1; JP2000507349A

Description

Gebiet der Erfindung
Das Gebiet dieser Erfindung ist die nicht-invasive Bestimmung optisch aktiver Verbindungen. Im speziellen betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung einer optisch aktiven Verbindung in einer biologischen Probe, unter Verwendung des gesamten Polarisationszustandes von Licht, das durch die Probe dringt.
Hintergrund der Erfindung
Mehrere spektroskopische Verfahren sind offenbart worden, welche die einzigartige Absorptionssignatur einer Verbindung bei verschiedenen Wellenlängen nutzen. Die Kenntnis dieser Absorptionssignaturen bei verschiedenen Verbindungen wird dann genutzt, um deren Konzentration in einer Probe zu ermitteln. Zum Beispiel nutzen bestimmte Verfahren Veränderungen des polarisierten Lichts bei jeder Verbindung, und die Kenntnis dieser Veränderungen wird dann genutzt, um die Konzentrationen der Verbindung in einer unbekannten Probe zu bestimmen. In anderen Verfahren wird das Signal von einer unbekannten Verbindung zu der Signatur einer bekannten Verbindung korreliert oder damit verglichen (genannt Korrelationsspektroskopie).
Es gibt erhebliche Nachteile bei der Nutzung solcher allgemeinen spektrophometrischen Verfahren. Erstens besteht ein Mangel an Spezifität (mehrere Verbindungen haben ähnliche Signaturen), und die Streuung von Gewebe verzerrt erheblich die Signatur der Verbindungen. Zweitens haben solche spektroskopischen Verfahren Probleme mit Störabständen. Daher ist entweder die Messmethode nicht spezifisch genug (andere Verbindungen stören), oder die Genauigkeit der Messung ist niedrig (rauschbehaftete Daten oder Daten von schlechter Qualität).
Trotz dieser Nachteile gibt es zahlreiche Berichte über Versuche, solche Verfahren an die nicht-invasive Messung optisch aktiver Verbindungen in biologischen Proben (zum Beispiel in einem Organismus) anzupassen. Solche Versuche haben sich insbesondere auf die Messung von Glucose in verschiedenen Körper-Kompartimenten konzentriert.
Bestehende Verfahren zur Bestimmung von Glucose unter Verwendung von Veränderungen bei der Polarisation von Licht sind begrenzt, da sie nur einen Teil des gesamten Polarisationszustands nutzen, wie zum Beispiel optische Drehung und/oder Zirkulardichroismus (siehe zum Beispiel die internationalen Patent Veröffentlichungen WO 92/10131, WO 93/07801, WO 94/02837, WO 94/05984 und WO 94/13199; United States Patente 4,882,492, 5,086,229, 5,209,231, 5,218,207, 5,321,265, 5,337,745, 5,361,758 und 5,383,452.)
Es besteht weiterhin eine Notwendigkeit, eine Lösung für die Probleme bereitzustellen, die den bestehenden Verfahren innewohnend sind, indem ein Verfahren bereitgestellt wird, das alle verfügbaren Informationen vom gesamten Polarisationszustand von Licht nutzt, das in eine Probe eindringt und aus ihr austritt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Messung einer optisch aktiven Komponente in einer biologischen Probe gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Messung der Mueller-Matrix, der zirkularen Phasenverschiebung oder des zirkularen Dichroismus einer Probe gemäß Anspruch 8.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Messung einer optisch aktiven Verbindung in einer biologischen Probe. Die Vorrichtung umfasst eine Quelle für unpolarisiertes Licht, ein erstes Mittel zur Manipulation des Polarisationszustandes von Licht, das optisch mit der Lichtquelle ausgerichtet ist, einen Probenhalter zum Halten der biologischen Probe, der optisch ausgerichtet ist mit dem ersten Mittel zur Manipulation von Licht, um Licht durch die Probe zu leiten, ein zweites Mittel zur Manipulation des Polarisationszustandes von Licht, das optisch ausgerichtet ist mit dem Probenhalter, um Licht zu empfangen, das die Probe durchdringt, Mittel zum Nachweisen von Licht, das optisch mit dem zweiten Mittel zur Manipulation des Polarisationszustandes von Licht ausgerichtet ist, und Mittel zum Analysieren eines elektrischen Signals vom Mittel zum Nachweisen von Licht, um das Signal zu einer Konzentration der optisch aktiven Verbindung zu korrelieren.
In einer Ausführungsform dieser Vorrichtung der Erfindung schließt das erste Mittel zur Manipulation des Polarisationszustandes von Licht ein erstes Mittel zur Polarisation von Licht ein, das optisch mit der Lichtquelle ausgerichtet ist, und ein erstes Mittel zur variablen Verzögerung von Licht, das optisch mit dem ersten Mittel zur Polarisierung von Licht und dem Probenhalter ausgerichtet ist. Vorzugsweise schließt das erste Mittel zur Polarisierung von Licht einen ersten Polarisator ein, und das erste Mittel zur variablen Verzögerung von Licht schließt ein erstes variables Verzögerungselement ein.
Vorzugsweise schließt das zweite Mittel zur Manipulation des Polarisationszustands von Licht ein zweites Mittel zur variablen Verzögerung von Licht ein, das optisch mit dem Probenhalter ausgerichtet ist, und ein zweites Mittel zur Polarisierung von Licht, das optisch mit dem zweiten Mittel zur variablen Verzögerung von Licht und dem Mittel zum Nachweisen von Licht ausgerichtet ist. Vorzugsweise schließt das zweite Mittel zur variablen Verzögerung von Licht ein zweites variables Verzögerungselement ein, und das zweite Mittel zur Polarisierung von Licht schließt einen zweiten Polarisator ein. Das (die) variable(n) Verzögerungselement(e) können unabhängig voneinander rotierende Verzögerungselemente, wie zum Beispiel Kristall- oder Polymer-Verzögerungselemente sein, die wahlweise Mittel zum Regulieren ihrer Rotation bei identischen oder verschiedenen Winkelfrequenzen einschließen.
Alternativ kann das variable Verzögerungselement ein Paar variabler Verzögerungselemente (zum Beispiel Flüssigkristalle) einschließen, wobei die schnelle Achse des ersten variablen Verzögerungselements in einem Winkel von π/4 Radian (45°) zum Polarisator angeordnet ist und die schnelle Achse des zweiten Verzögerungselements parallel zum Polarisator angeordnet ist.
Die Erfindung stellt weiter eine Vorrichtung bereit, die einen Datenprozessor und/oder Controller einschließt, die mit dem Mittel zum Nachweisen und den Mitteln zur Manipulation der Polarisationszustände verbunden sind.
Die Erfindung stellt auch eine Vorrichtung bereit, die eine oder mehrere Lichtquellen (von denen jede Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder bestimmten Wellenlängen ausstrahlt), Fokussierungs- und Reflektionselemente, Mittel zur Strahlenteilung und Poolreihen-Detektoren einschließt.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Verbindung in einer biologischen Probe bereit, welches die Messung des gesamten Polarisationszustandes der Probe und den Vergleich des gemessenen Polarisationszustandes der Probe mit dem Polarisationszustand einer bekannten Konzentration dieser Verbindung umfasst.
Noch genauer stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, in dem der Polarisationszustand der Probe gemessen wird nach Manipulation des Polarisationszustandes von Licht, das in die Probe eintritt und/oder aus der Probe austritt und nach Bestimmung des Lichts, das aus der Probe austritt. Vorzugsweise werden die Frequenz, Phase und Intensität von Licht bestimmt, das aus dem zweiten Mittel zur Polarisierung von Licht austritt, und ein elektrisches Signal wird erzeugt. Das Signal kann dann zur Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe korreliert werden.
Die Erfindung stellt auch ein nicht-invasives Verfahren zur Bestimmung der Glucose-Konzentration in einer biologischen Probe bereit, das folgende Schritte umfaßt: Manipulation des Polarisationszustandes eines Lichtstrahls, Durchführung des manipulierten Lichts durch die Probe, Manipulation des Polarisationszustandes von Licht, das aus der Probe austritt, Bestimmung des manipulierten Lichts, das aus der Probe austritt, und Verarbeitung eines elektrischen Signals, das durch die Bestimmung von manipuliertem Licht erzeugt wurde, zu einem Signal, das die Konzentration von Glucose in der Probe anzeigt.
Die Erfindung stellt außerdem ein nicht-invasives Verfahren zur Bestimmung der Glucose-Konzentration in einer biologischen Probe bereit, das folgende Schritte umfaßt: sequentielles Durchführen eines Lichtstrahls durch einen ersten Polarisationsgenerator, Durchführen von Licht durch die Probe, die in einem Probenhalter enthalten ist, sequentielles Durchführen von Licht aus der Probe durch einen zweiten Polarisationsgenerator, Bestimmung von Licht aus dem zweiten Polarisator mit einem Detektor und Verarbeitung eines elektrischen Signals, das vom Detektor erzeugt wird, zu einem Signal, das die Glucose-Konzentration in der Probe anzeigt, mit einem Analysator.
Die Erfindung stellt auch einen Polarisationsgenerator zur Einführung von Polarisationszuständen in eine Probe bereit, der einen linearen Polarisator umfaßt, der optisch mit einem ersten variablen linearen Verzögerungselement ausgerichtet ist, wobei die schnelle Achse des ersten Verzögerungselements bei π/4 Radian (45°) zur Transmissionsachse des ersten Polarisators ausgerichtet ist, und ein zweites variables Verzögerungselement, das optisch mit dem ersten variablen linearen Verzögerungselement ausgerichtet ist und bei dem die schnelle Achse des zweiten Verzögerungselements parallel zur Transmissionsachse des linearen Polarisators ausgerichtet ist.
In einem weiteren Verfahren der Erfindung kann die Mueller-Matrix einer optisch aktiven Verbindung in einer Probe gemessen werden, indem die Probe optisch mit dem Strahl ausgerichtet wird, der vom Polarisationsgenerator der Erfindung erzeugt wird, indem Licht aus der Probe bestimmt wird und indem ein vom Detektor erzeugtes elektrisches Signal mit einem Analysator verarbeitet wird, um die Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe anzuzeigen.
Die Erfindung stellt weiter einen Polarisationsanalysator zur Analyse der Polarisationszustände einer Probe bereit, der ein erstes variables lineares Verzögerungselement umfaßt, dessen schnelle Achse in einem Winkel von 45° zum Polarisator ausgerichtet ist und wobei die schnelle Achse des zweiten Verzögerungselements parallel zum Polarisator ausgerichtet ist.
Ebenfalls bereitgestellt wird ein Verfahren zur Messung der Mueller-Matrix einer Probe, das folgende Schritte umfaßt: optische Ausrichtung einer Probe mit dem optischen Strahl, der vom Polarisationsgenerator der Erfindung erzeugt wird, optische Ausrichtung des Polarisationsanalysators der Erfindung mit dem Licht, das aus der Probe austritt, die Transmission von Licht durch den Polarisationsgenerator, die Probe und den Polarisationsanalysator und Bestimmung von Licht aus der Probe und Verarbeitung eines elektrischen Signals, das vom Detektor erzeugt wird, mit einem Analysator zur Anzeige der Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe.
Ein weiteres Verfahren der Erfindung stellt die Messung der zirkularen Phasenverschiebung einer Probe bereit, die folgende Schritte umfaßt: optisches Ausrichten einer Probe mit dem Polarisationsgenerator der Erfindung, optische Ausrichtung eines festen linearen Polarisators mit dem Licht, das aus der Probe austritt, optische Ausrichtung eines Detektors mit dem Licht, das aus dem festen linearen Polarisator austritt, und Bestimmung des Lichts aus der Probe und Verarbeitung eines elektrischen Signals, das vom Detektor erzeugt wird, mit einem Analysator zur Anzeige der Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe.
Ein zusätzliches Verfahren der Erfindung stellt die Messung des zirkularen Dichroismus einer Probe bereit, die folgende Schritte umfaßt: optisches Ausrichten einer Probe mit dem Polarisationsgenerator der Erfindung, Transmission von Licht durch den Polarisationsgenerator und die Probe und Bestimmung von Licht aus der Probe und Verarbeitung eines elektrischen Signals, das vom Detektor erzeugt wird, mit einem Analysator zur Anzeige der Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe.
Wiederum ein weiteres Verfahren der Erfindung stellt die Messung einer Mueller-Matrix, der zirkularen Phasenverschiebung oder des zirkularen Dichroismus unter Verwendung mehrerer Wellenlängen bereit.
Ein weiteres Verfahren der Erfindung stellt die Reduzierung der Mueller-Matrix einer Probe bereit, wobei die Reduzierung gewählt ist aus horizontaler linearer Diattenuation, π/4 Radian (45°) linearer Diattenuation, zirkularer Diattenuation, horizontaler linearer Phasenverschiebung, π/4 Radians (45°) linearer Phasenverschiebung, zirkularer Phasenverschiebung oder Depolarisation.
Die bevorzugte optisch aktive Verbindung zur Bestimmung in der Vorrichtung und den Verfahren der Erfindung ist Glucose; die bevorzugte biologische Probe ist eine Flüssigkeitsprobe oder, für die nicht-invasiven Verfahren der Erfindung, ein Finger, Ohrläppchen, Auge, Augenlid oder eine Augenwasserkammer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für die Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, gilt folgendes:
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur nicht-invasiven Messung der Konzentration einer optisch aktiven Verbindung in einer biologischen Probe bereit, wobei Veränderungen des gesamten Polarisationszustands von Licht in seiner Interaktion mit der Probe verwendet werden.
Die Verfahren der Erfindung beinhalten die Messung des gesamten Polarisationszustands der Probe und den Vergleich des gemessenen Polarisationszustands der Probe mit dem Polarisationszustand einer Probe mit einer bekannten Konzentration dieser Verbindung, d. h. einem Standard.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „nicht-invasiv", daß ein Verfahren der vorliegenden Erfindung in einem Organismus ausgeführt werden kann, ohne in den Organismus einzudringen. Mit anderen Worten kann ein Verfahren genutzt werden, um die Konzentration einer optisch aktiven Verbindung in einer Probe dieses Organismus zu messen, ohne diese Probe aus dem Organismus zu entfernen oder ohne ein Instrument in den Organismus einzuführen.
Optisch aktive Verbindungen sind in der Technik gut bekannt und stellen Verbindungen dar, welche die Wellenlänge, Phase oder Intensität von Licht verändern, das die Probe beleuchtet. Die Art und das jeweilige Spektrum von Licht, das von optisch aktiven Verbindungen beeinflusst wird, sind einem Fachmann ebenfalls gut bekannt.
Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „Licht" elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise im Bereich von 100 nm bis 20 μm, mehr bevorzugt 400 nm bis ungefähr 10 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optisch aktive Verbindung Glucose. Gemäß dieser Ausführungsform bietet die vorliegende Erfindung daher ein nicht-invasives Verfahren zur Bestimmung der Glucose-Konzentration in einer biologischen Probe.
Dieses Verfahren umfaßt folgende Schritte: Manipulation des Polarisationszustands eines Lichtstrahls, Durchführung des manipulierten Lichts durch die Probe, Manipulation des Polarisationszustands von Licht, das aus der Probe austritt, Bestimmung der Frequenz, Phase und Intensität des manipulierten Lichts, das aus der Probe austritt, Verarbeitung eines elektrischen Signals, das durch die Bestimmung manipulierten Lichts erzeugt wird, zu einem Signal, das die Glucose-Konzentration in der Probe anzeigt.
Bestehende Verfahren zur Bestimmung der Glucose-Konzentration verwenden nur Messungen der optischen Rotation und des zirkularen Dichroismus einer Probe. Wie unten detailliert beschrieben, sind diese Aspekte nur Teil der verfügbaren Informationen aus dem Polarisationszustand von Licht.
Das vorliegende Verfahren ist besonders geeignet zur Messung von Analyten, die in verschiedenen Körperflüssigkeits-Kompartimenten enthalten sind. Ein besonders bevorzugter Analyt ist Glucose. Es ist bekannt, daß Glucose bestimmte Eigenschaften von Licht im nahen Infrarot-Wellenlängen-Bereich verändert, zum Beispiel im Bereich von ungefähr 400 nm bis ungefähr 1800 nm.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird Licht mit einem bekannten Polarisationszustand erzeugt und auf die betreffende Probe gerichtet. Die Wellenlänge dieses Lichts schließt Wellenlängen ein, von denen bekannt ist, daß sie von der speziellen Verbindung, deren Konzentration bestimmt wird, beeinflusst werden. Die optisch aktive Verbindung in der Probe ändert jedoch den Polarisationszustand des Lichts. Dieses modifizierte Licht wird analysiert und mit Optik bestimmt, die einen bekannten Polarisationszustand mißt. Der Polarisationszustand der Quelle und des Detektors wird geändert, und die Messung wird erneut durchgeführt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der gesamte Polarisationszustand bestimmt ist.
Der gesamte Polarisationszustand der Probe wird gemessen, nachdem der Polarisationszustand von Licht manipuliert wurde, das in die Probe eingedrungen und/oder aus der Probe ausgetreten ist und nachdem das Licht, das aus der Probe ausgetreten ist, bestimmt wurde. Ein nützlicher Polarisationsmanipulator ist im folgenden beschrieben. Ein linearer Polarisator, ausgerichtet bei 0 Radian (0°) (ein globales Koordinatensystem bestimmend), wird gefolgt von einem variablen Verzögerungselement, zum Beispiel einem Flüssigkeitskristall, elektro-optischen Modulator oder einem anderen variablen Verzögerungselement, wobei dessen schnelle Achse bei π/4 Radian (45°) zum linearen Polarisator ausgerichtet ist. Auf das variable Verzögerungselement folgt ein zweites variables Verzögerungselement, dessen schnelle Achse parallel zu der Transmissionsachse des Polarisators ausgerichtet ist. Ein Vorteil dieses Polarisationsmanipulators ist, daß er nicht die Bewegung optischer Elemente erfordert. Dieser Manipulator hat einen zusätzlichen Vorteil darin, daß er einfach zu modulieren ist mit einer Rate, die viel schneller ist als die Pulsfrequenz. Der Polarisationszustand von Licht, das in die Probe eindringt, kann auch manipuliert werden durch sequentielles Durchführen von Licht durch einen ersten Polarisator und ein erstes variables Verzögerungselement (zum Beispiel wie oben beschrieben), bevor es in die Probe eindringt. Der Polarisationszustand von Licht, das aus der Probe austritt, wird manipuliert durch sequentielles Durchführen von Licht durch ein zweites variables Verzögerungselement und einen zweiten Polarisator.
Daten über die betreffende(n) Verbindung(en) werden gesammelt, um die Beziehung zwischen der Veränderung des Polarisationszustands und der betreffenden Verbindung zu bestimmen. Durch Nutzung des Wissens über diese Beziehungen kann eine Bestimmung der Konzentration durch die Messung einer unbekannten Probe vorgenommen werden.
Jede biologische Probe kann in dem oben beschriebenen Verfahren benutzt werden, indem eine Vorrichtung zur Konzentrationsmessung so konfiguriert wird, daß ein Probenhalter die Probe in dem Lichtstrahl positioniert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Probe eine Körperflüssigkeitsprobe, und der Probenhalter ist so konfiguriert, daß er einen Teil des Organismus aufnehmen kann, von dem bekannt ist, daß er die Probe enthält. Exemplarische und bevorzugte Körperteile sind Finger, Ohrläppchen und Augen. Mittel zur Konfigurierung optischer Geräte zur Aufnahme solcher Körperteile sind in der Technik gut bekannt.
Der Polarisationszustand der Probe wird gemessen nach Manipulation des Polarisationszustands von Licht, das in die Probe eindringt und aus ihr austritt. Danach werden die Frequenz, Phase und Intensität von Licht, das aus der Probe austritt, bestimmt.
Entsprechend wird der Polarisationszustand von Licht, das in die Probe eindringt, manipuliert, indem Licht sequentiell durch einen ersten Polarisator und ein erstes variables Verzögerungselement hindurchgeführt wird, bevor es in die Probe eindringt. Der Polarisationszustand von Licht, das aus der Probe austritt, kann dann manipuliert werden durch sequentielles Hindurchführen von Licht durch ein zweites variables Verzögerungselement und einen zweiten Polarisator.
Die Frequenz, Phase und Intensität von Licht, das aus dem zweiten Mittel zur Polarisierung von Licht austritt, werden bestimmt, und ein elektrisches Signal wird erzeugt. Dieses elektrische Signal wird zu der Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe korreliert.
Wie jetzt für Fachleute ersichtlich sein wird, nutzt das oben beschriebene Verfahren alle Informationen in der Mueller-Matrix, um den Effekt der Probe auf das Licht zu bestimmen. Die Mueller-Matrix ist ein anerkanntes mathematisches Verfahren zum Beschreiben der Polarisationsveränderung, die eine Probe auf das Licht ausübt. Die Mueller-Darstellung ist allgemeiner als die anderen Darstellungen, da sie mit teilweise polarisiertem Licht arbeitet und zur Beschreibung verstreuter Medien verwendet werden kann.
Die Mueller-Matrix enthält sieben oder sechzehn Freiheitsgrade, je nachdem, ob das optische System polarisierend oder nicht-polarisierend ist. Zum Vervollständigen der Mueller-Matrix sind sechzehn Messungen erforderlich. Es ist keine Möglichkeit bekannt, die Elemente der Matrix direkt zu messen. Es gibt mehrere gut bekannte Verfahren, die Messungen durchzuführen und die Messungen in die Mueller-Matrix-Elemente zu konvertieren (siehe zum Beispiel Azzam und Bashara „Ellipsometry and Polarized Light", North Holland Physics Publishing, 1977).
Die Mueller-Matrix kann zerlegt werden (eine polare Zerlegung wird für die Matrix durchgeführt), um eine vollständige Beschreibung der Polarisierungs-ändernden Eigenschaften einer Probe zu liefern. Eine Probe kann drei Arten von polarisierungsverändernden Eigenschaften aufweisen: (1) Diattenuation – die Abhängigkeit von Intensitätsdurchlässigkeit (Reflektionsgrad) vom einfallenden Polarisationszustand, (2) Phasenverschiebung – die Abhängigkeit der Phase (optische Weglänge) eines austretenden Strahls vom Polarisationszustand und (3) Depolarisation – ein Verfahren, das polarisiertes Licht in unpolarisiertes Licht einkoppelt. Depolarisierung hängt immanent mit Streuung und mit Diattenuation und Phasenverschiebung zusammen, die im Hinblick auf Ort, Zeit und/oder Wellenlänge variieren. Diattenuation, Phasenverschiebung und Depolarisation können weiter in speziellere Arten von Polarisationseigenschaften zerlegt werden. Diattenuation hat drei Freiheitsgrade. Diese Freiheitsgrade werden typischerweise als horizontal-linear, π/4 Radian (45°) linear und zirkulare Diattenuation bezeichnet. Horizontal (π/4 Radian (45° linear)) betreffen einen Dämpfungsunterschied zwischen horizontal (π/4 Radian (45°)) linearen Polarisationszuständen und dem rechtwinkligen linearen Polarisationszustand. Zirkulare Diattenuation (ein Phänomen, das auch als Zirkular-Dichroismus bezeichnet wird) ist definiert als der Dämpfungsunterschied zwischen rechtsdrehend polarisiertem Licht und linksdrehend polarisiertem Licht. Phasenverschiebung hat ebenfalls drei Freiheitsgrade mit horizonal-linearen, π/4 Radian (45°) linearen und zirkularen Komponenten. Depolarisation hat im Allgemeinen neun Freiheitsgrade.
Zu untersuchende Verbindungen (insbesondere Glucose) können alle drei möglichen polarisierungsverändernden Eigenschaften aufweisen: Phasenverschiebung, Diattenuation und Depolarisation. Ein einzelnes Molekül kann sowohl lineare Doppelbrechung und lineare Diattenuation aus auch zirkulare Phasenverschiebung und zirkulare Diattenuation aufweisen. Eine Lösung aus einer großen Anzahl derselben Moleküle wird jedoch nicht lineare Phasenverschiebung oder lineare Diattenuation aufweisen, außer wenn den Molekülen eine Orientierung mit großer Bandbreite auferlegt wird. Bei einer Lösung mit einer Ansammlung von Molekülen in zufälligen Orientierungen werden die Beiträge linearer Diattenuation und linearer Phasenverschiebung einzelner Moleküle im Durchschnitt bei Null liegen. Die zirkularen Komponenten von Phasenverschiebung und Diattenuation werden jedoch mit Konzentration und optischer Weglänge zunehmen.
Eine Mueller-Matrix, zum Beispiel von Blut, Gewebe oder Augenwasserkammer, enthält Polarisierungsbeiträge von der betreffenden Verbindung, dem Umgebungsmedium und anderen Verbindungen. Die Polarisierungskomponenten aus den Messungen müssen getrennt werden, damit die Polarisierungssignatur der betreffenden Komponente bestimmt werden kann. Wenn zum Beispiel die Mueller-Matrix im Zusammenhang mit Licht, das sich durch die Hornhaut ausbreitet, gemessen wird, wird es Polarisierungsbeiträge von der Glucose, den Hornhautwänden, Cholesterin-Molekülen und anderen Verbindungen geben. Das Ergebnis ist eine Mischung der Polarisierungssignaturen von jeder der Komponenten, was zu einer Störung des gewünschten Signals führt. Die Mueller-Matrix-Zerlegung ermöglicht es, die störenden Beiträge aus dem Signal zu entfernen. Wenn der Polarisierungsbeitrag des Umgebungsmediums nicht von der gewünschten Polarisierungssignatur getrennt werden kann, wird die Messung eine Funktion des Messortes am Körper sein. Geringe Änderungen in der Polarisierung des Umgebungsmediums werden zu fehlerhaften Messungen der Verbindungskonzentrationen führen.
Aktuell existieren Algorithmen zur Aufschlüsselung einer Mueller-Matrix in ihre Komponenten. Bei Vorliegen einer beliebigen Mueller-Matrix kann eine polare Zerlegung der Matrix durchgeführt werden, um die lineare und zirkulare Diattenuation (3 Zahlen), die lineare und zirkulare Phasenverschiebung (3 Zahlen) und den Depolarisationsindex (1 Zahl, obwohl bis zu 9 Zahlen verfügbar sein können) zu bestimmen.
Die oben beschriebenen Messungen können vereinfacht werden, um bestimmte Abschnitte der Mueller-Matrix im Gegensatz zur vollständigen Mueller-Matrix zu messen. Der Messvorgang kann so gestaltet sein, dass er für eine bestimmte Form der Polarisierung am sensibelsten ist, entweder Phasenverschiebung, Diattenuation oder Depolarisation. Im Folgenden sind zwei Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung beschrieben, die empfindlich sind gegenüber Änderungen in der optischen Drehung (zirkulare Phasenverschiebung) und dem zirkularen Dichroismus (zirkularer Diattenuation).
Ein Protokoll, das empfindlich ist gegenüber zirkularer Phasenverschiebung, kann beschrieben werden wie im Folgenden ausgeführt. Wenn eine Probe nur zirkulare Phasenverschiebung aufweist, wird die Probe die folgenden Eigenschaften im Hinblick auf Polarisierung aufweisen. Zunächst, wenn die Probe zirkular polarisiertem Licht ausgesetzt wird, wird zirkular polarisiertes Licht aus der Probe unverändert austreten. Wenn die Probe linear polarisiertem Licht ausgesetzt wird, wird die Orientierung des linear polarisierten Lichts, das aus der Probe austritt, um einen Winkel gedreht, der die halbe Höhe der zirkularen Phasenverschiebung beträgt. Zum Beispiel wird ein zirkulares Verzögerungselement mit π Radian (180°) Phasenverschiebung den linear polarisierten einfallenden Strahl um π/2 Radian (90°) drehen.
Diese Ausführungsform der Erfindung misst also die Drehung eines linear polarisierten Strahls, unter Verwendung eines kleinsten Quadrats, das für einen großen Datensatz geeignet ist.
Der Polarisationsgenerator dieses Systems bleibt identisch mit dem System, das zuvor für die Messung der Mueller-Matrizen beschrieben wurde, aber die variablen Verzögerungselemente werden aus dem Polarisationsanalysator entfernt. Das zweite variable Verzögerungselement wird auf π/2 Radian (90°) gesetzt und das erste Verzögerungselement pendelt zwischen 0 und π Radian (0 und 180°). Die Funktion des Polarisationsgenerators ist es, linear polarisiertes Licht zu erzeugen, das in der Orientierung von 0 bis π Radian (0 bis 180°) als Zeitfunktion variiert. Wenn die Probe entfernt wird, variiert die Intensität des Lichts, das in den Detektor einfällt, sinusförmig in der Zeit, da die Orientierung des linear polarisierten einfallenden Lichts von 0 bis π Radian (0 bis 180°) variiert. Die Periode dieser Oszillation beträgt die halbe Periode des Polarisationsgenerators. Mit anderen Worten, während die Orientierung der linearen Polarisation vom Polarisationsgenerator von 0 bis π Radian (0 bis 180°) pendelt, führt die Sinuskurve im Detektor eine halbe Oszillationsperiode aus. Wenn eine Probe eingelegt wird, die optische Drehung hat, wird die Phase der Sinuskurve um einen Betrag verschoben, welcher der halben zirkularen Phasenverschiebung der Probe entspricht.
Dieses Verfahren der Erfindung kann kalibriert werden, um kleine Variationen in der Phasenverschiebung der variablen Verzögerungselemente auszugleichen, sodass mehrere Wellenlängen verwendet werden können.
Ein Protokoll, das empfindlich gegenüber zirkularem Dichroismus ist, kann beschrieben werden wie im Folgenden ausgeführt. Diese Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung misst die differenzielle Absorbanz zwischen rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht. Das optische System ist dasselbe wie zur Messung optischer Drehung, außer dass der Polarisator vor dem Detektor entfernt wird. Das erste variable Verzögerungselement wird auf π/2 Radian (90°) gesetzt, um den linear polarisierten Strahl von der Quelle in zirkular polarisiertes Licht zu konvertieren. Das zweite variable Verzögerungselement wird benutzt, um einen rechtszirkular polarisierten Strahl in linkszirkular polarisiertes Licht zu konvertieren. Das zweite variable Verzögerungselement wird auf 0 Phasenverschiebung gesetzt und dann schrittweise auf π Radian (180°) Phasenverschiebung erhöht. Somit misst das optische System die Durchlässigkeit von rechtszirkular polarisiertem Licht und dann von linkszirkular polarisiertem Licht. Mehrere Durchlässigkeitsmessungen dieser zwei Zustände werden vorgenommen, um den Störabstand zu erhöhen.
Die Mueller-Matrix kann in drei einfachere Mueller-Matrizen aufgeschlüsselt werden, von denen jede eine eigene Polarisationsform beschreibt: Diattenuation, Depolarisation und Phasenverschiebung.
Betrachten wir eine Mueller-Matrix M mit folgendermaßen definierten Gliedern
Der Effekt eines Verzögerungselements auf einen eintreffenden Polarisationszustand, der auf der Poincaréschen Kugel dargestellt ist, entspricht einer Drehung um die schnelle Achse mit einem Winkel, der identisch mit der Phasenverschiebung ist. Daher ist die folgende Matrix
die allgemeinste Mueller-Matrix für ein Verzögerungselement mit der Phasenverschiebung δ und der schnellen Achse bei [1, r₁, r₂, r₃]^T. Beachten Sie, dass r₁ ² + r₂ ² + r₃ ² = 1. Wenn zum Beispiel [1, r₁, r₂, r₃]^T gleich [1, 1, 0, 0], [1, 0, 1, 0] oder [1, 0, 0, 1], dann erhält man horizontale π/4 Radian (45°) lineare bzw. zirkulare Verzögerungselemente.
Der oben angegebene Ausdruck für M_R bietet eine Möglichkeit, die Mueller-Matrix des Verzögerungselements mit einer festgelegten schnellen Achse und Phasenverschiebung abzuleiten. Weiterhin bestimmt dieser Ausdruck die Orientierung der schnellen Achse und die Höhe der Phasenverschiebung mit einer gegebenen reinen Verzögerungs-Mueller-Matrix
r1 = (m23 – m32)/(2sinδ) r2 = (m31 – m13)/(2sinδ) r3 = (m12 – m21)/(2sinδ).
Ein Diattenuator hat eine Mueller-Matrix, die symmetrisch ist. Die allgemeinste Mueller-Matrix für einen Diattenuator ist
wobei
die Höhe der Diattenuation ist und d₁, d₂ und d₃ die horizontalen π/4 Radian (45°) linearen und zirkularen Komponenten der Diattenuation darstellen. Die Diattenuations-Matrix hat alle Informationen bezüglich der Höhe der Diattenuation und Orientierung einer Probe,
Von einer polaren Zerlegung einer Mueller-Matrix aus kann jede nicht-entpolarisierende Mueller-Matrix als Diattenuator, gefolgt von einem Verzögerungselement, ausgedrückt werden M = MRMD.
Es folgt, dass eine Verzögerungselement-Mueller-Matrix M_R berechnet werden kann aus MR = MMD –1,unter der Annahme, dass M_D nicht singulär ist. Wenn M_D singulär ist, bedeutet dies, dass die Probe ein idealer Diattenuator (idealer Polarisator) ist. In diesem Fall wird die Phasenverschiebung nicht bestimmt, und ihre Mueller-Matrix wird nicht einzigartig bestimmt.
Bei einer entpolarisierenden Mueller-Matrix liefert die Operation MM_D ^–1 kein reines Verzögerungselement. Es müssen weitere Schritte durchgeführt werden, die im Folgenden beschrieben sind. Stellen Sie zunächst eine Matrix M' her, bestimmt durch M' = MMD –1,wobei M' sowohl Phasenverschiebungs- als auch Depolarisations-Informationen enthält. Ohne an Allgemeingültigkeit zu verlieren, kann M' als Verzögerungselement-Mueller-Matrix, gefolgt von einer entpolarisierenden Mueller-Matrix, geschrieben werden, M' = MdpMR,wobei M_dp eine rein entpolarisierende Mueller-Matrix ist. Es folgt, dass die entpolarisierende Mueller-Matrix symmetrisch sein muss, was ihre Freiheitsgrade auf neun reduziert, und dass die entpolarisierende Mueller-Matrix weder Diattenuation noch Phasenverschiebung hat. Anhand dieser Beziehungen kann die Reduzierung des Polarisierungsgrads eines eintreffenden Polarisationszustands von der Diattenuation und der Phasenverschiebung getrennt werden. Weitere Details dieser Berechnung sind beschrieben in Mueller matrix imaging polarimetry, Chapter 2, J. L. Pezzaniti, Ph. D. Dissertation, The University of Alabama in Huntsville (1993).
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur nicht invasiven Messung einer optisch aktiven Verbindung in einer biologischen Probe bereit.
Eine Ausführungsform solch einer Vorrichtung enthält eine Quelle für unpolarisiertes Licht, einen ersten Polarisationsmanipulator, der optisch mit der Lichtquelle ausgerichtet ist, und einen Probenhalter zum Halten der biologischen Probe, optisch ausgerichtet mit dem ersten Polarisationsmanipulator. Ein zweiter Polarisationsmanipulator, der optisch mit dem Probenhalter ausgerichtet ist, ein Lichtempfänger, der optisch mit dem zweiten Polarisationsmanipulator ausgerichtet ist, und ein Analysator zum Korrelieren von Signalen des Detektors zur Konzentration der optisch aktiven Verbindung sind ebenfalls in einer Ausführungsform dieser Vorrichtung enthalten.
Eine Schemazeichnung solch einer Vorrichtung 8 ist in 1 dargestellt. Mit Bezugnahme auf 1 schließt Vorrichtung 8 eine Lichtquelle 10 ein, die mit einer Stromversorgung (nicht dargestellt) gekoppelt ist und von ihr mit Energie versorgt wird. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, liefert die Lichtquelle polychromatisches Licht.
Quellen für polychromatisches Licht sind in der Technik gut bekannt. Eine exemplarische Lichtquelle ist eine Wolfram-Halogen-Glühlampe. Jede polychromatische Lichtquelle, die Licht mit einem Wellenlängenbereich liefert, von dem bekannt ist, dass er von der betreffenden Verbindung beeinflusst wird, kann verwendet werden.
In anderen Ausführungsformen, die im Folgenden offenbart werden, kann die Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser sein, der Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ausstrahlt. Lieht, das von der Lichtquelle 10 ausgestrahlt wird, ist unpolarisiert. Das unpolarisierte Licht, das die Lichtquelle 10 verlässt, ist räumlich kohärent oder gebündelt.
Nach dem Verlassen der Lichtquelle 10 durchdringt das unpolarisierte Licht einen ersten Polarisationsmanipulator 12. Der erste Polarisationsmanipulator 12 ist optisch mit der Lichtquelle 10 ausgerichtet, um das gebündelte unpolarisierte Licht von der Lichtquelle 10 zu empfangen.
Der Polarisationsmanipulator 12 ist eine Kombination optischer Elemente, die den Polarisationszustand von Licht verändert. Optische Elemente, die in einen solchen Manipulator eingeschlossen sein können, schließen Diattenuatoren, Polarisatoren und Verzögerungselemente ein.
Licht vom ersten Polarisationsmanipulator 12 wird auf einen Probenhalter 14 zum Halten der biologischen Probe während der Messung gerichtet. Der Probenhalter ist konfiguriert für nicht invasive Messungen eines menschlichen Körperteils, wie z. B. eines Fingers.
Der Probenhalter 14 ist so positioniert, dass er optisch mit dem ersten Polarisationsmanipulator 12 ausgerichtet ist. Mit dieser Ausrichtung empfängt die biologische Probe (zum Beispiel Finger) Licht, das durch den Manipulator 12 dringt.
Die Vorrichtung schließt weiter einen zweiten Polarisationsmanipulator 16 ein, der optisch mit dem Probenhalter 14 ausgerichtet ist. Der Manipulator 16 empfängt Licht, das die Probe im Probenhalter 14 durchdringt.
Nach Durchdringen des zweiten Manipulators 16 wird Licht auf einen Detektor 18 gerichtet, der die Frequenz, Phase und Intensität des Lichts bestimmt, das aus der Probe austritt. Der Detektor 18 wird optisch mit dem zweiten Manipulator 16 ausgerichtet, um Licht aus diesem zweiten Manipulator 16 zu empfangen.
Der Detektor 18 erzeugt ein elektrisches Signal, das an den Analysator 20 gesendet wird. Der Analysator 20, in einer bevorzugten Ausführungsform, ist ein digitaler, programmierter Prozessor, der ein elektrisches Signal vom Detektor 18 verarbeitet. Als Reaktion darauf erzeugt der Analysator 20 ein Signal, das die Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Probe anzeigt. Eine analoge Analyse-Schaltung könnte als Alternative zu digitaler Schaltung verwendet werden.
Der Analysator 20 ist auch elektronisch mit dem ersten 12 und dem zweiten 16 Manipulator verbunden, um die Manipulation der Polarisierung zu regulieren.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Detektors 18, der alle Elemente von Licht bestimmt und misst, die notwendig sind, um den gesamten Polarisationszustand von Licht zu beschreiben, das in ihn eindringt. Ein Detektor ist vollständig, wenn er die gesamte Mueller-Matrix der Probe misst; ansonsten ist er unvollständig.
Um den gesamten Polarisationszustand von Licht zu nutzen (das heißt, um die Messungen durchzuführen, die zur Verwendung der Mueller-Matrix erforderlich sind), ist es notwendig, dass der erste 12 und der zweite 16 Polarisationsmanipulator die Polarisierung und Phasenverschiebung von Licht manipulieren.
Polarisierung bezieht sich auf die Orientierung von Licht im Hinblick auf seine Ausbreitungsrichtung. Polarisierung kann linear, zirkular oder elliptisch sein. Bei linearer Polarisierung sind die Polarisationszustände mit maximaler und minimaler Durchlässigkeit oder Remission linear. Bei zirkularer Polarisation sind die entsprechenden Polarisationszustände zirkular, und bei elliptischer Polarisation sind die entsprechenden Polarisationszustände elliptisch.
Phasenverschiebung ist der Unterschied im Phasenaufbau (optische Weglänge) zwischen den zwei Eigenpolarisationszuständen eines Polarisierungselements. Die aufgebaute Phase für einen Eigenpolarisationszustand ist ein Maximum, und sie ist ein Minimum für den anderen Eigenpolarisationszustand.
Ein Polarisationsmanipulator verändert die Polarisierung und Phasenverschiebung von Licht durch die Verwendung von Polarisatoren und Verzögerungselementen. Eine Schemazeichnung einer Vorrichtung 8-1, die solche Geräte verwendet, ist in 2 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 2 schließt der erste Polarisationsmanipulator 12 einen ersten Polarisator 22 ein, er optisch mit der Lichtquelle 10 ausgerichtet ist. Licht, das den ersten Polarisator 22 durchdringt, wird auf ein erstes variables Verzögerungselement 24 gerichtet.
Das erste variable Verzögerungselement 24 ist optisch mit dem ersten Polarisator 22 ausgerichtet. Licht, das das erste variable Verzögerungselement 24 verlässt, wird auf die Probe gerichtet, die im Probenhalter 14 enthalten ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 ist zu sehen, dass der zweite Polarisationsmanipulator 16 ein zweites variables Verzögerungselement 26 einschließt, das optisch mit dem Probenhalter 14 ausgerichtet ist, und einen zweiten Polarisator 28, der optisch mit dem zweiten variablen Verzögerungselement 26 ausgerichtet ist.
Sowohl der erste 22 als auch der zweite 28 Polarisator sind lineare und vorzugsweise stationäre Polarisatoren. Ein solcher linearer Polarisator kann jeder Kristall- oder Polaroid-Polarisator mit einem hohen Erweiterungs-Koeffizienten sein, der Licht, das durch ihn durchdringt, linear polarisiert.
Das erste 24 und das zweite 26 variable Verzögerungselement können feste oder drehbare Verzögerungselemente sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl das erste als auch das zweite variable Verzögerungselement fest und elektronisch mit dem Analysator 20 verbunden, um die Drehfrequenz dieser Verzögerungselemente zu kontrollieren. Die Details dieser bevorzugten Ausführungsform wurden oben beschrieben. Alternativ kann das erste Verzögerungselement fest und das zweite Verzögerungselement drehbar sein. In dieser Ausführungsform ist das drehbare Verzögerungselement auf einem Drehtisch montiert und elektronisch mit dem Analysator verbunden, wie oben beschrieben.
Die Regelung der Drehfrequenz des ersten und des zweiten drehbaren Verzögerungselements ist derart, dass sie mit verschiedenen Winkelfrequenzen gedreht werden können. In einer Ausführungsform kann ein zweites drehbares Verzögerungselement mit einer Frequenz gedreht werden, die höher ist als die Winkelfrequenz der Drehung des ersten drehbaren Verzögerungselements. In einer solchen Ausführungsform wird bevorzugt, dass das zweite drehbare Verzögerungselement mit einer Frequenz gedreht wird, die das Fünffache der Winkelfrequenz der Drehung des ersten drehbaren Verzögerungselements beträgt.
Ein bekanntes Verzögerungselement ist die Wellenplatte, eine parallele Platte aus doppelbrechendem Material, bei der die Kristallachse rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung angeordnet ist. Wellenplatten werden oft aus einer praktischen Dicke eines haltbaren doppelbrechenden Materials, wie zum Beispiel kristallinem Quarz, hergestellt.
Auf Grund der hohen Doppelbrechung von Quarz ist ein Viertel- oder Halb-Wellen-Verzögerungselement aus einer einzelnen Schicht nur möglich mit einer sehr dünnen Schicht Quarz. Eine Alternative zum Spalten sehr dünner Platten besteht darin, eine praktische Dicke von Quarz zu verwenden und eine Mehrordnungs-Wellenplatte herzustellen, zum Beispiel 15,5 Phasenverschiebungswellen für 1 mm Dicke.
Eine solche Platte verhält sich genauso wie ein Halbwellenlängenplättchen. Mit Änderung der optischen Wellenlänge verändert sich jedoch die Verzögerung viel schneller als bei einem echten Halbwellenlängenplättchen. Außerdem ist die Empfindlichkeit der Verzögerung um die schnellen und langsamen Achsen viel höher als bei einem echten Halbwellenlängenplättchen.
In einem weiteren Aspekt kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich Fokussierungselemente enthalten, um Licht innerhalb der Vorrichtung 8 zu lenken. Eine solche Ausführungsform 8-2 ist schematisch in 3 dargestellt.
Wie in 3 dargestellt, wird ein erstes Fokussierungselement 30 zwischen der Lichtquelle 10 und dem ersten Polarisator 22 positioniert. Das Fokussierungselement 30 wird optisch mit der Lichtquelle 10 und dem ersten Polarisator 22 ausgerichtet, um Licht, das aus der Lichtquelle 10 austritt, auf den ersten Polarisator 22 zu fokussieren und zu lenken. In ähnlicher Weise wird das zweite Fokussierungselement 32 zwischen dem zweiten Polarisator 28 und dem Detektor 18 positioniert, um Licht, das aus dem zweiten Polarisator 28 austritt, auf den Detektor 18 zu fokussieren.
In den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen verwendet die beschriebene Vorrichtung eine einzelne Lichtquelle und eine einzelne Detektor-Struktur. Eine Vorrichtung kann auch mehrere Lichtquellen mit einem einzelnen Detektor oder eine einzelne Lichtquelle mit mehreren Detektoren verwenden. Solche Ausführungsformen sind in den 4, 5 und 6 dargestellt.
Gemäß einer solchen Ausführungsform wird manipuliertes Licht, das aus der Probe austritt, in diskrete Wellenlängen zerlegt, und jede dieser diskreten Wellenlängen wird einzeln bestimmt. Ein Polychrometer kann verwendet werden, um diese Funktion auszuführen.
So kann eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Strahlenteilerlicht einschließen, das optisch mit dem zweiten Fokussierungselement ausgerichtet ist, und ein Dispersionselement, das optisch ausgerichtet und zwischen dem Strahlenteilerlicht und dem Detektor positioniert ist. In diesem Fall schließt der Detektor eine Vielzahl von Dipolreihen-Detektoren ein.
Eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung 8-3 ist schematisch in 4 dargestellt. Die Vorrichtung von 4 schließt Folgendes ein: eine Lichtquelle 10, ein erstes Fokussierungselement 30, einen ersten Polarisator 22, ein Licht eines ersten variablen Verzögerungselements 24, einen Probenhalter 14, ein zweites variables Verzögerungselement 26, einen zweiten Polarisator 28 und ein zweites Fokussierungselement 32, alle wie oben in 3 dargestellt.
Gemäß der Verwendung eines Polychrometers wird fokussiertes Licht, das aus dem zweiten Fokussierungselement 32 austritt, durch einen Schlitz 34 geführt. Licht, das aus dem Schlitz 34 austritt, wird dann auf das Dispersionselement 36 gerichtet, wo das Licht in seine einzelnen Wellenlängen-Spektren aufgeteilt wird.
Licht, das in seine Spektren aufgeteilt wurde, wird vom Dispersionselement 36 auf den Dipolreihen-Detektor 38 gerichtet. Der Dipolreihen-Detektor 38 misst die Intensität von Licht bei jeder Wellenlänge für einen bestimmten Polarisationszustand. Wie auch bei anderen Ausführungsformen, werden der erste und der zweite Polarisator und das erste und zweite variable Verzögerungselement zur Erzeugung bestimmter Polarisationszustände verwendet.
Eine Person mit durchschnittlichem Fachwissen kann sich schnell äquivalente Strukturen für Schlitz 34, Dispersionselement 36 und Dipolreihen-Detektor 38 vorstellen. Das Dispersionselement kann ein Gitter, ein Hologramm oder ein Prisma sein. Das Polychrometer kann auch durch ein abtastendes Monochrometer und einen einzelnen Detektor ersetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere diskrete Wellenlängen-Detektoren verwenden. Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 8-4 in Übereinstimmung damit wird in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird Licht manipuliert wie in 4. In der Vorrichtung 8-4 wird Licht jedoch nicht mit einem Polychrometer erfasst, sondern mit mehreren diskreten Detektoren, von denen jeder nur gegenüber einem Teil des bestimmten Wellenlängenbereichs empfindlich ist.
So wird in 5 Licht, das aus dem zweiten Polarisator 28 austritt, auf eine Vielzahl von Strahlenteilern 40a–c gerichtet; diese Strahlenteiler 40 lenken Licht auf einzelne Detektoren 42a–d. Jeder Detektor 42a–d erfasst einen diskreten Abschnitt des gemessenen Wellenlängenbereichs. Jeder einzelne Detektor 42a–d ist elektronisch mit dem Analysator 20 gekoppelt.
In einer anderen Ausführungsform werden mehrere Lichtquellen verwendet, von denen jede Licht mit einem bestimmten Wellenlängenbereich liefert. Eine solche Vorrichtung schließt mehrere diskrete Lichtquellen ein, von denen jede Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ausstrahlt. Vorzugsweise schließt eine solche Vorrichtung weiterhin eine Vielzahl von Filterelementen und eine Vielzahl von Leitoptik-Geräten ein. In weiterer Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wird ein einzelner Detektor benutzt.
Eine Schemazeichnung solch einer Ausführungsform 8-5 ist in 6 dargestellt. In der Vorrichtung 8-5, die in 6 dargestellt ist, wird eine einzelne Lichtquelle durch eine Vielzahl diskreter Lichtquellen 44a–b ersetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese diskreten Lichtquellen Leuchtdioden (LED), Laserdioden oder Laser.
Licht, das aus diskreten Lichtquellen 44a–b austritt, wird durch Filterelemente 46a–b geführt, die optisch mit den diskreten Lichtquellen 44a–b ausgerichtet sind. Licht, das die Filterelemente 46a–b durchdringt, wird dann auf den ersten Polarisator 22 gelenkt. Die optische Weglänge vom ersten Polarisator 22 zum Detektor 18 ist dieselbe wie oben dargelegt.
Licht, das aus den Filterelementen 46a–b austritt, wird mit Hilfe von Leitoptik-Geräten 48a–b auf den ersten Polarisator 22 gerichtet. Beispiele für solche Leitoptik-Geräte sind reflektierende oder reflektierend-durchlässige Geräte, wie zum Beispiel versilberte Spiegel.

Claims

Eine Vorrichtung (8) zur nicht invasiven Messung einer optisch aktiven Komponente in einer biologischen Probe, die folgendes umfasst: a) eine Quelle für unpolarisiertes Licht (10); b) ein erstes Mittel (12) zur Beeinflussung des Polarisationszustands von Licht in optischer Ausrichtung mit der Lichtquelle; c) einen Probenhalter (14) der ausgebildet ist zum Halten der biologischen Probe in optischer Ausrichtung mit dem ersten Mittel (12) zur Beeinflussung von Licht, um es Licht zu ermöglichen, die Probe zu durchdringen, wobei das erste Mittel (12) zur Beeinflussung des Polarisationszustands von Licht ein erstes Mittel zur Polarisation von Licht einschließt, das optisch mit der Lichtquelle (10) ausgerichtet ist, und ein erstes Mittel zur variablen Verzögerung von Licht, das optisch mit dem ersten Mittel zur Polarisierung von Licht und dem Probenhalter ausgerichtet ist, wobei das erste Mittel zur Polarisierung von Licht einen ersten linearen Polarisator (22) einschließt und das erste Mittel zur variablen Verzögerung von Licht ein erstes variables Verzögerungselement (24) einschließt; d) ein zweites Mittel (16) zur Beeinflussung des Polarisationszustands von Licht in optischer Ausrichtung mit dem Probenhalter (14), um Licht zu empfangen, das die Probe durchdringt; e) Mittel zum Nachweisen von Licht (18) in optischer Ausrichtung mit dem zweiten Mittel (16) zur Beeinflussung des Polarisationszustands von Licht; und f) Mittel (20) zum Analysieren eines elektrischen Signals vom Mittel zum Nachweisen von Licht, um das elektrische Signal zu einer Konzentration der optisch aktiven Verbindung zu korrelieren, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste variable Verzögerungselement (24) ein Paar von variablen Verzögerungselementen enthält, wobei die schnelle Achse des ersten Verzögerungselements des Paares ungefähr π/4 Radian (45°) in Bezug zur schnellen Achse des zweiten Verzögerungselements des Paares orientiert ist, wobei die schnelle Achse des zweiten Verzögerungselements parallel zur Transmissionsachse des linearen Polarisators orientiert ist.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei das zweite Mittel (16) zur Beeinflussung des Polarisationszustands von Licht ein zweites Mittel zur variablen Verzögerung von Licht einschließt, das mit dem Probenhalter (14) optisch ausgerichtet ist, und ein zweites Mittel zur Polarisierung von Licht, das mit dem zweiten Mittel zur variablen Verzögerung von Licht und dem Mittel zum Nachweisen von Licht (18) optisch ausgerichtet.
Die Vorrichtung von Anspruch 2, wobei das zweite Mittel zur variablen Verzögerung von Licht ein zweites variables Verzögerungselement (26) einschließt und das zweite Mittel zur Polarisierung von Licht einen zweiten Polarisator (28) einschließt.
Die Vorrichtung von Anspruch 3, wobei mindestens eines des ersten oder des zweiten variablen Verzögerungselements ein rotierendes Verzögerungselement ist.
Die Vorrichtung von Anspruch 3, wobei sowohl das erste als auch das zweite Mittel zur variablen Verzögerung von Licht zwei variable Verzögerungselemente enthalten, wobei die schnelle Achse des ersten Verzögerungselements ungefähr π/4 Radian (45°) in Bezug zur Achse des zweiten Verzögerungselements orientiert ist.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei das Mittel (20) zum Analysieren einen Datenprozessor einschließt, der operativ mit dem Mittel (18) zum Nachweisen verbunden ist, und einen Controller, der operativ mit dem ersten und zweiten Mittel (12, 16) zur Beeinflussung von Polarisationszuständen verbunden ist.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Lichtquelle mehrere diskrete Lichtquellen einschließt von denen jedes Licht mit einer bestimmten Längenwelle ausstrahlt.
Ein Verfahren zur Messung der Mueller Matrix, der zirkularen Phasenverschiebung oder des zirkularen Dichroismus einer Probe, das folgendes umfasst: die optische Ausrichtung einer extrahierten Fluidprobe mit dem optischen Strahl, der von einem Polarisationsgenerator generiert wird, wobei der Polarisatinosgenerator folgendes umfasst: i) zur Analyse der Polarisationszustände einer Probe, einen linearen Polarisator (22), ii) eine erstes variables Verzögerungselement (24), dessen schnelle Achse bei π/4 Radian (45 Grad) in Bezug zur Transmissionsachse des Polarisators (22) orientiert ist; iii) ein zweites variables Verzögerungselement (26), das optisch mit dem ersten variablen Verzögerungselement (24) ausgerichtet ist und bei dem die schnelle Achse des zweiten Verzögerungselements (26) parallel zur Transmissionsachse des linearen Polarisators (22) ausgerichtet ist.
Das Verfahren von Anspruch 8, wobei die Messung der Mueller Matrix einer Probe weiter folgende Schritte umfasst: a) die optische Ausrichtung eines Polarisationsanalysators zur Analyse der Polarisationszustände einer extrahierten Fluidprobe mit dem Licht, das aus der Probe austritt und parallel zu dem optischen Strahl ist, der vom Polarisationsgenerator generiert wird und b) die Transmission von Licht durch den Polarisationsgenerator, die Probe und den Polarisationsanalysator, wobei der Polarisationsanalysator folgendes umfasst: i) ein erstes variables Verzögerungselement (26), optisch ausgerichtet mit, ii) einem zweiten variablen Verzögerungselement (28), dessen schnelle Achse bei π/4 Radian (45 Grad) in Bezug zur schnellen Achse des ersten linearen Verzögerungselements (26) ausgerichtet ist, optisch ausgerichtet mit iii) einem linearen Polarisator (22), dessen Transmissionsachse parallel zu der schnellen Achse des ersten variablen Verzögerungselements (26) orientiert ist.
Das Verfahren von Anspruch 8, wobei die Messung der zirkularen Phasenverschiebung weiter folgende Schritte umfasst: a) das optische Ausrichten eines festen linearen Polarisators (22) mit dem Licht, das aus der Probe austritt, wobei die Achse des Polarisators mit dem Polarisationsgenerator ausgerichtet ist, und b) die optische Ausrichtung eines Detektors mit dem Licht, das aus dem festen linearen Polarisator (22) austritt.
Das Verfahren von Anspruch 8, wobei die Messung des zirkularen Dichroismus einer Probe weiter den Schritt der Transmission von Licht durch den Polarisationsgenerator und die Probe umfasst.
Das Verfahren von Anspruch 8, das mehrerer Wellenlängen verwendet.
Das Verfahren von Anspruch 8, zur Reduzierung der Mueller Matrix einer Probe, wobei die Reduzierung gewählt ist aus horizontaler linearer Diattenuation, π/4 Radians (45 Grad) linearer Diattenuation, zirkularer Diattenuation, horizontaler linearer Phasenverschiebung, π/4 Radians (45 Grad) linearer Phasenverschiebung, zirkularer Phasenverschiebung oder Depolarisation.