EP2649432A1 - Vorrichtung zum identifizieren biotischer partikel - Google Patents

Vorrichtung zum identifizieren biotischer partikel

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Publication number
EP2649432A1
EP2649432A1 EP11815611.6A EP11815611A EP2649432A1 EP 2649432 A1 EP2649432 A1 EP 2649432A1 EP 11815611 A EP11815611 A EP 11815611A EP 2649432 A1 EP2649432 A1 EP 2649432A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
medium
biotic
measuring cell
particles
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11815611.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alois Friedberger
Jürgen Popp
Petra RÖSCH
Markus Lankers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus UpNext GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP2649432A1 publication Critical patent/EP2649432A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1404—Handling flow, e.g. hydrodynamic focusing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G01N15/1459—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N2021/651—Cuvettes therefore

Definitions

  • the invention relates to a device for identifying biotic particles in a gaseous or liquid medium.
  • Ambient air are known and continue to be the subject of current research.
  • the goal of research and development is to make the detection methods for biotic particles more selective, reliable and faster, and correspondingly reliable and compact devices for the automated identification of biotic particles
  • a clean room is a room in which the concentration of airborne abiotic particles (eg dusts) and biotic particles (microorganisms such as:
  • Bacteria, fungi, algae, protozoa, viruses is kept as low as possible.
  • the clean room conditions to be met will depend on the application or
  • Identification of the biotic particles is preferably carried out by the use of Raman spectroscopy [eg. Raman, FT-Raman, NIR-FT-Raman, Resonance Raman, UV Resonance Raman, SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy), SERRS (Engl., Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy)).
  • Raman spectroscopy eg. Raman, FT-Raman, NIR-FT-Raman, Resonance Raman, UV Resonance Raman, SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy), SERRS (Engl., Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy)
  • the document DE 10 2004 008 762 B4 discloses such a method and device for detecting and identifying biotic particles (bioparticles).
  • the device described comprises a filter on which biotic and abiotic particles are deposited, for example, from an air stream
  • the device further comprises a detection unit for determining the position and shape factors of individual biotic particles deposited on the filter and differentiating between biotic and abiotic particles.
  • the device finally comprises an identification device, with which Raman spectra of the deposited particles can be determined, and a
  • Identification of the detected particles can be further processed.
  • the object of the invention is to provide a device which allows a reliable and rapid identification of biotic particles in a medium, compared to the prior art reduces the maintenance and the
  • the object is achieved by a device for identifying biotic particles in a medium to be examined, with a flow-through from the medium to be examined measuring cell in the identification of the biotic particles by Raman spectroscopy, and a feed, by means of which the medium to be examined Measuring cell can be supplied, wherein the supply comprises at least one sensor with which the presence of biotic particles in the feed medium can be determined, the supply downstream of the sensor has a controllable bypass valve, via which the medium optionally the measuring cell or a bypass -Canal is supplied, and a first control means is provided, by means of which the bypass valve is controlled such that the medium is supplied to the measuring cell for the identification of the biotic particles only if biotic particles were detected by the sensor in the medium.
  • the device according to the invention is based on the idea of supplying the medium to be investigated (gaseous or liquid) to the measuring cell only if it differs from that in the Supply arranged sensor, the presence of biotic particles was detected in the feed medium flowing through. If, on the other hand, no biotic particles in the medium to be examined are detected by the sensor, the medium is fed to a bypass channel instead of the measuring cell, through which the medium, for example, enters the environment. The corresponding switching of the media flow is effected by the bypass valve upstream of the measuring cell, which is controlled by the first control means.
  • the bypass valve is preferably configured in such a way that the switching time between the two valve states (forwarding of the entire media flow to the measuring cell or to the bypass channel) is as low as possible, so that ideally the media flow can be digitally transmitted either to the measuring cell or to the bypass. Channel is supplied.
  • a “bypass valve” is understood here to mean a device having an input channel E and two output channels A1 and A2, wherein the medium to be examined flowing through the input channel E flows out selectively, ie switchable, either through the output channel A1 or through the output channel A2.
  • one output channel of the bypass valve is connected to the measuring cell and the other output channel to the bypass channel
  • Such a bypass valve can be produced, for example, using methods of microsystem technology, whereby the switching of the output channels takes place by means of microactuators
  • a plurality of inventively designed feeds can be arranged in parallel and connected to the measuring cell.
  • bypass channel is understood broadly in the present case, which may be a pipeline, a flow or a discharge opening.
  • the term "presence” is synonymous with “presence” or “presence.”
  • the sensor used is preferably an optical sensor with which at least one optical property of the medium to be examined, such as the
  • Fluorescence, or absorption or transmission property can be determined.
  • the sensor is calibrated accordingly, so that the presence of biotic particles is detected sufficiently clearly.
  • the sensor preferably evaluates more than one optical property or it is also possible to use a plurality of sensors which detect optical or other properties of the medium to be examined.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the one or another sensor is an optical sensor with which a particle size and / or a particle density in the medium to be examined particles can be determined. This allows, for example, a distinction of abiotic and biotic particles.
  • the sensor is furthermore preferably configured and configured such that it detects the entire flow cross-section of the medium flowing through the feed. This ensures that all biotic particles present in the medium can be detected by the sensor.
  • the evaluation of the sensor signals must, depending on the flow rate of the medium through the supply, take place sufficiently fast, so that the control means switches the bypass valve downstream of the sensor before a volume of media sensed by the sensor reaches the bypass valve.
  • the time required for the evaluation of the sensor measurement and the switching time delay of the bypass valve timely switching of the bypass valve can be ensured so that the medium to be examined only enters the measuring cell, if biotic particles are present in the medium to be examined.
  • the supply between the bypass valve and the measuring cell or the measuring cell itself has a first means with which biotic particles contained in the medium to be examined can be deactivated.
  • activation in the present case also means “kill” or “render harmless”.
  • Inactivation in particular harmful germs can be killed.
  • the inactivation can generally be used, even if germs that are harmful to health can not be expected in order to generally work with inactive biotic particles when evaluating the Raman spectra obtained in the measuring cell. This has the Advantage that in the evaluation of the spectra for the identification of individual biotic particles do not parallel several reference databases, ie for biotic active particles and biotic inactive particles must be used.
  • the first means for inactivating biotic particles preferably has at least one electromagnetic and / or one acoustic radiation source and / or one
  • the first means may be designed and arranged to deliver a biotic particle inactivating substance into the medium to be examined.
  • Corresponding substances, electromagnetic, acoustic or particle radiation sources are known to the person skilled in the art.
  • the measuring cell further comprises at least one sensor means with which the shape, and / or the size, and / or the surface condition, and / or the color and / or elastic scattered light data of one or more biotic particles can be detected.
  • sensor data can, for example, be evaluated by means of pattern recognition methods and facilitate or enable differentiation of abiotic and biotic particles.
  • the acquired different measurement data can be correlated with each other, which enables an improved classification or identification of the biotic particles.
  • a further preferred development of the device according to the invention is characterized in that the measuring cell has a filter on which biotic particles can be deposited for identification by means of Raman spectroscopy.
  • the entire flow cross-section of the medium to be examined through the filter i. first directed to the front of the filter.
  • the filter has continuous open pores on a measuring surface of the filter
  • Filter front have a first diameter which is in the range of 0.1 to 15 pm, from 0.4 to 10 pm, or from 2 to 10 pm, the pore diameter over the filter thickness tapering in the direction of the filter surface opposite the measuring surface, and the pore diameters on the filter surface opposite the measurement surface (filter back side) have a second diameter that lies in the range of 5 to 75 percent, in particular 25 to 50 percent, of the first diameter.
  • the continuous pore channels thus taper from the front of the filter to the back of the filter.
  • the capture molecules can, for example, specifically retain a certain type of biotic particles, for example bacteria.
  • this may be provided with catcher molecules to selectively retain only biotic particles while removing abiotic particles from the filter, e.g. B. be rinsed off.
  • catcher molecules to selectively retain only biotic particles while removing abiotic particles from the filter, e.g. B. be rinsed off.
  • the pore diameters on the measuring surface are preferably so large that a microorganism (for example a bacterium) can find room there.
  • a microorganism for example a bacterium
  • the opposite of the measuring surface openings of the continuous pores should be as possible
  • the filter is preferably designed as a sieve, i. no three-dimensional tissue, but a perforated membrane.
  • the measuring surface of the filter should be very even, the pore distribution on the filter should be as homogeneous as possible and the pore sizes and pore geometries should be substantially identical.
  • the filter should be very thin in order to allow a high flow rate, but on the other hand should be sufficiently mechanically robust.
  • the filter should continue to provide only a low and / or a constant Raman background signal.
  • Suitable filters are micromechanical filters with a filter thickness in the range of 400 nm - 10 pm, for example, of silicon, metal, quartz, with metal-coated material.
  • the pore diameter is preferably 50 nm - 5pm.
  • the pore distance is preferably also of the same order of magnitude.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that a laser, a scattered light sensor and an evaluation unit are provided for the automatic localization of biotic particles deposited on the measurement surface of the filter, wherein the backscattered laser light can be evaluated by the evaluation unit with regard to the presence of biotic particles comprising laser variably adjustable focusing optics for the laser beam capable of generating on the measuring surface of the filter a laser spot of variable diameter for scanning the measuring surface, and a second control means arranged and arranged for automatic localization of the deposited ones to control biotic particles such that initially a coarse scan of the
  • Measuring surface is performed with a first diameter dt of the laser spot, and then in the areas of the measuring surface in which biotic particles were detected, another scan with a second diameter d 2 of the laser spot, where d 2 ⁇ di, for more accurate localization of the biotic Particles take place.
  • Diameters of the laser spot are repeatedly executed in order to achieve an increasingly accurate resolution of the scan.
  • a further preferred development of the device according to the invention is characterized in that a differential pressure measuring system for determining a difference of the static pressure in the medium to be investigated in the flow direction before and after the measuring cell and / or a measuring system for determining a current volume flow rate of the medium under investigation by the measuring cell is, a second means is provided, with the volume flow rate through the measuring cell is adjustable, and a third control means for controlling the second means is present, wherein the control of the second means depending on the determined current volume flow rate and / or the determined current differential pressure such takes place that a predetermined nominal volume flow rate of the medium to be examined is held by the measuring cell.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the device 100 according to the invention for identifying biotic particles in an ambient air potentially contaminated with biotic particles.
  • the device 100 sucks the ambient air by means of a suction device, not shown.
  • Device 100 includes one of the ambient air to be examined
  • the feeder 102 comprises at least one sensor 101, with which the presence of biotic particles in the ambient air flowing through the feeder 102 can be determined.
  • the supply 102 downstream of the sensor 101 in the flow direction has a controllable bypass valve 103, via which the ambient air to be examined can optionally be fed to the measuring cell 104 or to a bypass channel 105.
  • the ambient air is passed through the measuring cell 104 and biotic particles contained therein identified by means of Raman spectroscopy.
  • the exhaust air leaves through the opening 106, the device in the environment.
  • the ambient air is conducted via the bypass channel 105 and the outlet opening 107 directly into the environment.
  • the device 100 comprises a first control means 108, by means of which the bypass valve 103 can be controlled such that the ambient air to be examined is only supplied to the measuring cell 104 for the identification of the biotic particles, if previously of the sensor 101 in the ambient air biotic particles were detected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Identifizieren von biotischen Partikeln in einem zu untersuchenden Medium, mit einer vom zu untersuchenden Medium durchströmbaren Messzelle (104) in der die Identifizierung der biotischen Partikel mittels Raman-Spektroskopie erfolgt, und einer Zuführung (102), mittels der das zu untersuchende Medium der Messzelle (104) zuführbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (100) zeichnet sich dadurch aus, dass die Zuführung (102) zumindest einen Sensor (101) umfasst, mit dem das Vorhandensein von biotischen Partikeln in dem die Zuführung (102) durchströmenden Medium ermittelbar ist, die Zuführung (102) stromabwärts des Sensors (101 ) ein ansteuerbares Bypass-Ventil (103) aufweist, über das das Medium wahlweise der Messzelle (104) oder einem Bypass-Kanal (106) zuführbar ist, und ein erstes Steuermittel (108) vorhanden ist, mittels dem das Bypass-Ventil (103) derart ansteuerbar ist, dass das Medium nur dann der Messzelle (104) zur Identifizierung der biotischen Partikel zugeführt wird, wenn von dem Sensor (101) im Medium biotische Partikel erkannt wurden.

Description

Vorrichtung zum Identifizieren biotischer Partikel
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Identifizieren von biotischen Partikeln in einem gasförmigen oder flüssigen Medium.
Vorrichtungen und Verfahren zum Identifizieren von biotischen Partikeln in flüssigen Medien (bspw. im Trinkwasser) oder in gasförmigen Medien (bspw. in der
Umgebungsluft) sind bekannt und weiterhin Gegenstand aktueller Forschung. Das Ziel der Forschung und Weiterentwicklung ist es, die Nachweismethoden für biotische Partikel selektiver, zuverlässiger und schneller zu machen, und entsprechend zuverlässige und kompakte Vorrichtungen zur automatisierten Identifizierung biotischer Partikel
bereitzustellen.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren werden heute beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie, der Chemie-, der Lebensmittel-, der Photovoltaik-, der Automobil- oder der Halbleiterindustrie, aber auch in medizinischen Umgebungen, wie in Kliniken, etc. eingesetzt, um beispielsweise die Luftqualität in sogenannten Reinräumen zu kontrollieren. Ein Reinraum ist ein Raum in dem die Konzentration luftgetragener abiotischer Partikel (bspw. Stäube) und biotischer Partikel (Mikroorganismen wie:
Bakterien, Pilze, Algen, Protozoen, Viren) so gering wie möglich gehalten wird. Die einzuhaltenden Reinraumbedingungen werden dabei je nach Anwendung oder
Aufgabenstellung entsprechend vorgegeben. Die im Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen es insbesondere biotische Partikel nicht nur quantitativ sondern auch qualitativ zu bestimmen, d.h. in einem gasförmigen oder flüssigen Medium enthaltene Mikroorganismen eindeutig zu identifizieren. Die
Identifizierung der biotischen Partikel erfolgt dabei bevorzugt durch den Einsatz der Raman-Spektroskopie [bspw. Raman, FT-Raman, NIR-FT-Raman, Resonanz-Raman, UV-Resonanz-Raman, SERS (engl, für ,Surface Enhanced Raman Spectroscopy'), SERRS (engl, für .Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy')].
Beispielsweise wird in der Druckschrift DE 10 2004 008 762 B4 ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Detektion und zum Identifizieren von biotischen Partikeln (Biopartikeln) offenbart. Die beschriebene Vorrichtung umfasst einen Filter auf dem biotische und abiotische Partikel beispielsweise aus einem Luftstrom abgeschieden
BESTÄTIGUNGSKOPIE werden. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Detektionseinheit zum Bestimmen der Position und der Formfaktoren von einzelnen auf dem Filter abgeschiedenen biotischen Partikeln und zur Differenzierung zwischen biotischen und abiotischen Partikeln. Die Vorrichtung umfasst schließlich eine Identifizierungseinrichtung, mit der Raman-Spektren der abgeschiedenen Partikel ermittelt werden können, und eine
Datenverarbeitungseinrichtung, mit der jedem detektierten Partikel ein gemessenes Raman-Spektrum zugeordnet und diese Information gespeichert und/oder zur
Identifizierung der detektierten Partikel weiterverarbeitet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die ein zuverlässiges und schnelles Identifizieren von biotischen Partikeln in einem Medium erlaubt, wobei gegenüber dem Stand der Technik der Wartungsaufwand reduziert und die
Zuverlässigkeit erhöht wird.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Figur dargestellt ist.
Die Aufgabe wird von einer Vorrichtung zum Identifizieren von biotischen Partikeln in einem zu untersuchenden Medium gelöst, mit einer vom zu untersuchenden Medium durchströmbaren Messzelle in der die Identifizierung der biotischen Partikel mittels Raman-Spektroskopie erfolgt, und einer Zuführung, mittels der das zu untersuchende Medium der Messzelle zuführbar ist, wobei die Zuführung zumindest einen Sensor umfasst, mit dem das Vorhandensein von biotischen Partikeln in dem die Zuführung durchströmenden Medium ermittelbar ist, die Zuführung stromabwärts des Sensors ein ansteuerbares Bypass-Ventil aufweist, über das das Medium wahlweise der Messzelle oder einem Bypass-Kanal zuführbar ist, und ein erstes Steuermittel vorhanden ist, mittels dem das Bypass-Ventil derart ansteuerbar ist, dass das Medium nur dann der Messzelle zur Identifizierung der biotischen Partikel zugeführt wird, wenn von dem Sensor im Medium biotische Partikel erkannt wurden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der Idee, das zu untersuchende Medium (gasförmig oder flüssig) der Messzelle nur dann zuzuführen, wenn von dem in der Zuführung angeordneten Sensor, das Vorhandensein biotischer Partikel im die Zuführung durchströmenden Medium erkannt wurde. Werden hingegen vom Sensor keine biotischen Partikel im zu untersuchenden Medium erkannt, so wird das Medium erfindungsgemäß anstelle zur Messzelle einem Bypass-Kanal zugeführt, durch den das Medium bspw. in die Umgebung gelangt. Die entsprechende Umschaltung des Medienstroms erfolgt durch das der Messzelle vorgeschaltete Bypass-Ventil, welches von dem ersten Steuermittel angesteuert wird. Das Bypass-Ventil ist vorzugsweise derart gestaltet, dass die Schaltzeit zwischen den beiden Ventilzuständen (Weiterleitung des gesamten Medienstroms an die Messzelle bzw. an den Bypass-Kanal) möglichst gering ist, so dass im Idealfall der Medienstrom digital entweder der Messzelle oder dem Bypass-Kanal zugeführt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden so Verschmutzungseffekte in der Messzelle minimiert, die Einsatzzeit der Messzelle zwischen zwei Reinigungszyklen vergrößert und die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert.
Unter einem„Bypass-Ventil" wird vorliegend eine Vorrichtung mit einem Eingangskanal E und zwei Ausgangskanälen A1 und A2 verstanden, wobei das durch den Eingangskanal E einströmende zu untersuchende Medium wahlweise, d.h. umschaltbar, entweder durch den Ausgangskanal A1 oder durch den Ausgangskanal A2 ausströmt. Vorliegend ist also ein Ausgangskanal des Bypass-Ventils mit der Messzelle verbunden und der andere Ausgangskanal mit dem Bypass-Kanal. Ein derartiges Bypass-Ventil kann bspw. mit Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt werden, wobei die Umschaltung der Ausgangskanäle mittels Mikroaktoren erfolgt. Um einen vorgegebenen Durchsatz des zu untersuchenden Mediums zu gewährleisten, können auch mehrere erfindungsgemäß ausgestaltet Zuführungen parallel angeordnet und mit der Messzelle verbunden sein.
Der Begriff„Bypass-Kanal" wird vorliegend breit verstanden. Es kann sich hierbei um eine Rohrleitung, einen Ström ungska na I oder aber um lediglich eine Austrittsöffnung handeln.
Der Begriff„Vorhandensein" steht vorliegend synonym für„Anwesenheit" oder„Präsenz". Es wird von dem in der Zuführung angeordneten Sensor also lediglich die Anwesenheit von biotischen Partikeln im vom Sensor erfassten zu untersuchenden Medium ermittelt. Eine Identifizierung, d.h. ein eindeutiges Erkennen (Art, Gattung), einzelner biotischer Partikel aufgrund des Sensorsignals erfolgt nicht. Als Sensor wird bevorzugt ein optischer Sensor verwendet, mit dem zumindest eine optische Eigenschaft des zu untersuchenden Mediums, wie beispielsweise die
Fluoreszenz-, oder Absorptions- oder Transmissions-Eigenschaft, ermittelbar ist. Der Sensor wird entsprechend geeicht, so dass das Vorhandensein biotischer Partikel hinreichend eindeutig erkannt wird. Bevorzugt werden vom Sensor hierzu mehr als eine optische Eigenschaft ausgewertet oder es können auch mehrere Sensoren eingesetzt werden, die optische oder andere Eigenschaften des zu untersuchenden Mediums erfassen. So zeichnet sich eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch aus, dass der eine oder ein weiterer Sensor ein optischer Sensor ist, mit dem eine Partikelgröße und/oder eine Partikeldichte im zu untersuchenden Medium vorhandener Partikel ermittelbar ist. Dies erlaubt bspw. eine Unterscheidung abiotischer und biotischer Partikel. Der Sensor ist weiterhin bevorzugt derart eingerichtet und ausgeführt, dass er den gesamten Strömungsquerschnitt des durch die Zuführung strömenden Mediums erfasst. So kann sichergestellt werden, dass alle im Medium vorhandenen biotischen Partikel vom Sensor erfasst werden können.
Die Auswertung der Sensorsignale muss, abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch die Zuführung, hinreichend schnell erfolgen, so dass das Steuermittel das dem Sensor nachgeschaltete Bypass-Ventil rechtzeitig schaltet, bevor ein vom Sensor abgetastetes Medienvolumen das Bypass-Ventil erreicht. Durch eine
entsprechende Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch die Zuführung, der für die Auswertung der Sensormessung erforderlichen Zeit und der Schaltzeitverzögerung des Bypass-Ventils kann ein rechtzeitiges Schalten des Bypass- Ventils sichergestellt werden, so dass das zu untersuchende Medium nur dann in die Messzelle gelangt, wenn biotische Partikel im zu untersuchenden Medium vorhanden sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Zuführung zwischen Bypass-Ventil und Messzelle oder die Messzelle selbst ein erstes Mittel auf, mit dem im zu untersuchenden Medium enthaltene biotische Partikel inaktivierbar sind. Unter dem Begriff "Inaktivierung" ist vorliegend auch .Abtöten" oder„unschädlich machen" zu verstehen. Durch die
Inaktivierung können insbesondere gesundheitsgefährliche Keime abgetötet werden. Die Inaktivierung kann generell eingesetzt werden, also auch wenn gesundheitsgefährliche Keime nicht zu erwarten sind, um bei der Auswertung der in der Messzelle gewonnenen Raman-Spektren generell mit inaktiven biotischen Partikeln zu arbeiten. Dies hat den Vorteil, dass bei der Auswertung der Spektren zur Identifizierung einzelner biotischer Partikel nicht parallel mehrere Vergleichsdatenbanken, d.h. für biotische aktive Partikel und biotische inaktive Partikel herangezogen werden müssen.
Das erste Mittel zur Inaktivierung biotischer Partikel weist bevorzugt zumindest eine elektromagnetische und/oder eine akustische Strahlungsquelle und/oder eine
Partikelstrahlungsquelle auf. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Mittel dazu ausgelegt und eingerichtet sein, eine biotische Partikel inaktivierende Substanz in das zu untersuchende Medium abzugeben. Entsprechende Substanzen, elektromagnetische-, akustische oder Partikelstrahlungsquellen sind dem Fachmann bekannt.
Bevorzugt umfasst die Messzelle weiterhin zumindest ein Sensormittel, mit dem die Form, und/oder die Größe, und/oder die Oberflächenbeschaffenheit, und/oder die Farbe und/oder elastische Streulichtdaten eines oder mehrerer biotischen Partikel erfassbar ist. Diese Sensordaten können bspw. mittels Mustererkennungsverfahren ausgewertet werden und eine Unterscheidung abiotischer und biotischer Partikel erleichtern bzw. ermöglichen. Zudem können die erfassten unterschiedlichen Messdaten miteinander korreliert werden, was eine verbesserte Klassifizierung bzw. Identifizierung der biotischen Partikel ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemälien Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messzelle einen Filter aufweist, auf dem biotische Partikel zur Identifizierung mittels der Raman-Spektroskopie abgeschieden werden können.
Vorzugsweise wird dabei der gesamte Strömungsquerschnitt des zu untersuchenden Mediums durch das Filter, d.h. zunächst auf die Filtervorderseite geleitet. Das Filter weist durchgängige offene Poren auf, die an einer Messoberfläche des Filters
(Filtervorderseite) einen ersten Durchmesser aufweisen, der im Bereich von 0,1 bis 15 pm, von 0,4 bis 10 pm, oder von 2 bis 10 pm liegt, sich die Porendurchmesser über die Filterdicke in Richtung der der Messoberfläche gegenüberliegenden Filteroberfläche verjüngen, und die Porendurchmesser an der der Messoberfläche gegenüberliegenden Filteroberfläche (Filterrückseite) einen zweiten Durchmesser aufweisen, der im Bereich von 5 bis 75 Prozent, insbesondere 25 bis 50 Prozent, des ersten Durchmessers liegt. Die durchgehenden Porenkanäle verjüngen sich somit von der Filtervorderseite zur Filterrückseite. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Filter an der
Messoberfläche eine Goldschicht und/oder Fängermoleküle, wie beispielsweise Phagenproteine, auf, um eine bessere Selektivität und Sensitivität hinsichtlich biotischer Partikel zu erreichen. Die Fängermoleküle können bspw. spezifisch eine bestimmte Art von biotischen Partikeln zurückhalten, bspw. Bakterien.
Unabhängig von der Art des Filters kann dieses mit Fängermoleküle versehen sein, um gezielt nur biotische Partikel zurück zu halten, während abiotische Partikel vom Filter entfernt, z. B. abgespült werden. Im Prinzip kann man sich auch einen kaskadierten Prozess denken, indem man verschiedene Filter mit unterschiedlichen Porengrößen hintereinander geschaltet sind und somit unterschiedlich große Keime von einander abgetrennt werden.
Die Porendurchmesser an der Messoberfläche sind bevorzugt so groß, dass dort ein Mikroorganismus (bspw. ein Bakterium) Platz findet kann. Die der Messoberfläche gegenüberliegenden Öffnungen der durchgängigen Poren soll ein möglichst
widerstandsarmes Ausströmen des Mediums ermöglichen.
Der Filter ist vorzugsweise als Sieb ausgeführt, d.h. kein dreidimensionales Gewebe, sondern eine perforierte Membran. Die Messoberfläche des Filters sollte sehr eben sein, die Porenverteitung auf dem Filter sollte möglichst homogen und die Porengrößen und Porengeometrien sollten im Wesentlichen identisch sein. Der Filter sollte einerseits sehr dünn sein, um eine hohe Durchflussrate zu ermöglichen, andererseits aber ausreichend mechanisch robust sein. Der Filter sollte weiterhin nur ein geringes und/oder ein konstantes Raman-Hintergrundsignal liefern.
Als Filter eignen sich mikromechanische Filter mit einer Filterdicke im Bereich von 400 nm - 10 pm bspw. aus Silizium, Metall, Quarz, mit Metall beschichtetem Material. Der Porendurchmesser betragen bevorzugt 50 nm - 5pm. Der Porenabstand liegt bevorzugt ebenfalls in gleicher Größenordnung. Um mechanisch robust zu sein, kann die
Filtermembran lose oder fix auf einem Trägerrahmen aufgebracht sein.
Bei Verwendung von Metall-Filtern (Ag oder Au) mit einer Rauigkeit um einige 100 nm kann die Bestrahlung mit Laserlicht zur Anregung von Plasmonenresonanzen führen. Dies bewirkt eine vorteilhafte Verstärkung der Raman-Spektren, was mit kürzeren Messzeiten einhergeht, und eine Steigerung der Spezifität und Sensitivität durch verstärkte Membraninformationen der Mikroorganismen. Neben den Raman-Spektren können zusätzlich Hell- und Dunkelfeldmikroskop-Daten der abgeschiedenen Partikel erfasst werden
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zur automatischen Lokalisierung von auf der Messoberfläche des Filter abgeschiedenen biotischen Partikeln ein Laser, ein Streulichtsensor sowie eine Auswerteeinheit vorhanden sind, wobei das rückgestreute Laserlicht hinsichtlich dem Vorhandensein biotischer Partikel von der Auswerteinheit auswertbar ist, der Laser eine variabel einstellbare Fokussierungsoptik für den Laserstrahl aufweist, mit der auf der Messoberfläche des Filters ein Laserspot mit variablem Durchmesser zur Abtastung der Messoberfläche erzeugbar ist, und ein zweites Steuermittel vorhanden ist, welches dazu ausgelegt und eingerichtet ist, die automatische Lokalisierung der abgeschiedenen biotischen Partikel derart zu steuern, dass zunächst eine Grob-Abtastung der
Messoberfläche mit einem ersten Durchmesser dt des Laserspots durchgeführt wird, und anschließend in den Bereichen der Messoberfläche, in denen biotische Partikel erfasst wurden, eine weitere Abtastung mit einem zweiten Durchmesser d2 des Laserspots, wobei d2 < di ist, zur genaueren Lokalisierung der biotischen Partikeln erfolgt.
Natürlich kann die Laserabtastung der Messoberfläche mit kleiner werdenden
Durchmessern des Laserspots mehrfach hintereinander ausgeführt werden, um so eine zunehmend genauere Auflösung der Abtastung zu erzielen.
Ein weitere bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Differenzdruckmesssystem zur Ermittlung einer Differenz des statischen Drucks im zu untersuchenden Medium in Strömungsrichtung vor und nach der Messzelle und/oder ein Messsystem zur Ermittlung eines aktuellen Volumendurchsatzes des untersuchenden Mediums durch die Messzelle vorhanden ist, ein zweites Mittel vorhanden ist, mit dem der Volumendurchsatz durch die Messzelle einstellbar ist, und ein drittes Steuermittel zur Steuerung des zweiten Mittels vorhanden ist, wobei die Steuerung des zweiten Mittels abhängig von dem ermittelten aktuellen Volumendurchsatz und/oder dem ermittelten aktuellen Differenzdruck derart erfolgt, dass ein vorgebbarer Soll-Volumendurchsatz des zu untersuchenden Mediums durch die Messzelle gehalten wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Identifizieren von biotischen Partikeln in einer potentiell mit biotischen Partikeln belasteten Umgebungsluft. Vorliegend sei angenommen, dass die Vorrichtung 100 die Umgebungsluft mittels einer nicht dargestellten Ansaugvorrichtung ansaugt. Die
Vorrichtung 100 umfasst eine von der zu untersuchenden Umgebungsluft
durchströmbaren Messzelle 104 in der die Identifizierung der biotischen Partikel mittels Raman-Spektroskopie erfolgt, und einer Zuführung 02, mittels der das zu
untersuchende Medium der Messzelle 104 zugeführt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Zuführung 102 zumindest einen Sensor 101 , mit dem das Vorhandensein von biotischen Partikeln in der die Zuführung 102 durchströmenden Umgebungsluft ermittelbar ist.
Weiterhin weist die Zuführung 102 dem Sensor 101 in Strömungsrichtung nachgeschaltet ein ansteuerbares Bypass- Ventil 103 auf, über das die zu untersuchende Umgebungsluft wahlweise der Messzelle 104 oder einem Bypass-Kanal 105 zuführbar ist. Im ersten Fall wird die Umgebungsluft durch die Messzelle 104 geleitet und darin enthaltene biotische Partikel mittels Raman-Spektroskopie identifiziert. Die Abluft verlässt über die Öffnung 106 die Vorrichtung in die Umgebung. Im zweiten Fall wird die Umgebungsluft über den Bypass-Kanal 105 und die Auslassöffnung 107 direkt in die Umgebung geleitet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 ein erstes Steuermittel 108, mittels dem das Bypass-Ventil 103 derart ansteuerbar ist, dass die zu untersuchende Umgebungsluft nur dann der Messzelle 104 zur Identifizierung der biotischen Partikel zugeführt wird, wenn von dem Sensor 101 in der Umgebungsluft zuvor biotische Partikel erkannt wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Identifizieren von biotischen Partikeln in einem zu
untersuchenden Medium, mit einer vom zu untersuchenden Medium
durchströmbaren Messzelle (104) in der die Identifizierung der biotischen Partikel mittels Raman-Spektroskopie erfolgt, und einer Zuführung (102), mittels der das zu untersuchende Medium der Messzelle ( 04) zuführbar ist, wobei
- die Zuführung (102) zumindest einen Sensor (101 ) umfasst, mit dem das
Vorhandensein von biotischen Partikeln in dem die Zuführung (102) durchströmenden Medium ermittelbar ist,
- die Zuführung (102) dem Sensor (101) in Strömungsrichtung nach geschaltet ein ansteuerbares Bypass-Ventil (103) aufweist, über das das Medium wahlweise der Messzelle (104) oder einem Bypass-Kanal (105) zuführbar ist, und
- ein erstes Steuermittel (108) vorhanden ist, mittels dem das Bypass-Ventil (103) derart ansteuerbar ist, dass das Medium nur dann der Messzelle (104) zur Identifizierung der biotischen Partikel zugeführt wird, wenn von dem Sensor (101) im Medium biotische Partikel erkannt wurden.
2. Vorrichtung (1009 gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der eine Sensor (101 ) ein optischer Sensor ist, mit dem zumindest eine optische Eigenschaft des zu untersuchenden Mediums, wie beispielsweise Fluoreszenz, Absorption oder Transmission, ermittelbar ist.
3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder ein weiterer Sensor (101 ) ein optischer Sensor ist, mit dem eine Partikelgröße und/oder eine Partikeldichte im zu untersuchenden Medium vorhandener Partikel ermittelbar ist.
4. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (102) zwischen Bypass- Ventil (103) und Messzelle (104) oder die Messzelle (104) selbst ein erstes Mittel aufweist, mit dem im zu untersuchenden Medium enthaltene biotische Partikel inaktivierbar sind.
5. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel zur Inaktivierung biotischer Partikel eine elektromagnetische Strahlungsquelle und/oder eine
Partikelstrahlungsquelle aufweist.
6. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel dazu ausgelegt und eingerichtet ist eine biotische Partikel inaktivierende Substanz in das zu
untersuchende Medium abzugeben.
7. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium gasförmig oder flüssig ist.
8. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (104) einen Filter aufweist, auf dem biotische Partikel zur Identifizierung mittels der Raman- Spektroskopie abgeschieden werden, wobei der Filter durchgängige Poren aufweist, die an einer Messoberfläche des Filters einen ersten Durchmesser aufweisen, der im Bereich von 0,1 bis 15 pm, von 0,4 bis 10 pm, oder von 2 bis 10 pm liegt, sich die Porendurchmesser über die Filterdicke in Richtung der der Messoberfläche gegenüberliegenden Filteroberfläche verjüngen, und die
Porendurchmesser an der der Messoberfläche gegenüberliegenden Filteroberfläche einen zweiten Durchmesser aufweisen, der im Bereich von 5 bis 75 Prozent, insbesondere 25 bis 50 Prozent, des ersten Durchmessers liegt.
9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Filter an der Messoberfläche eine Goldschicht und/oder Phagenproteine aufweist.
10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (104) zumindest ein Sensormittel umfasst, mit dem die Form, oder die Größe, oder die
Oberflächenbeschaffenheit, oder die Farbe eines biotischen Partikels erfassbar ist.
11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- zur automatischen Lokalisierung von auf der Messoberfläche des Filter
abgeschiedenen biotischen Partikeln ein Laser, ein Streulichtsensor sowie eine Auswerteeinheit vorhanden sind, wobei das rückgestreute Laserlicht hinsichtlich dem Vorhandensein biotischer Partikel von der Auswerteinheit auswertbar ist,
- der Laser eine variabel einstellbare Fokussierungsoptik für den Laserstrahl aufweist, mit der auf der Messoberfläche des Filters ein Laserspot mit variablem Durchmesser zur Abtastung der Messoberfläche erzeugbar ist, und
- ein zweites Steuermittel vorhanden ist, welches dazu ausgelegt und eingerichtet ist, die automatische Lokalisierung der abgeschiedenen biotischen Partikel derart zu steuern, dass zunächst eine Grob-Abtastung der Messoberfläche mit einem ersten Durchmesser d-ι des Laserspots durchgeführt wird, und anschließend in den Bereichen der Messoberfläche, in denen biotische Partikel erfasst wurden, eine weitere Abtastung mit einem zweiten Durchmesser d2 des Laserspots, wobei d2 < d^ ist, zur genaueren Lokalisierung der biotischen Partikeln erfolgt.
12. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- ein Differenzdruckmesssystem zur Ermittlung einer Differenz des statischen
Drucks im zu untersuchenden Medium in Strömungsrichtung vor und nach der Messzelle (104) und/oder ein Messsystem zur Ermittlung eines aktuellen Volumendurchsatzes des untersuchenden Mediums durch die Messzelle (104) vorhanden ist,
- ein zweites Mittel vorhanden ist, mit dem der Volumendurchsatz durch die
Messzelle (104) einstellbar ist, und
- ein drittes Steuermittel zur Steuerung des zweiten Mittels vorhanden ist, wobei die
Steuerung des zweiten Mittels abhängig von dem ermittelten aktuellen
Volumendurchsatz und/oder dem ermittelten aktuellen Differenzdruck derart erfolgt, dass ein vorgebbarer Soll-Volumendurchsatz des zu untersuchenden Mediums durch die Messzelle (104) gehalten wird.
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