WO2002084258A1

WO2002084258A1 - Vorrichtung zum überwachen einer chemikalienströmung

Info

Publication number: WO2002084258A1
Application number: PCT/EP2002/003951
Authority: WO
Inventors: Wolf Dieter Faisst; Matthias KNÜLLE; Rudi Rösch
Original assignee: Mwg Biotech Ag
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2002-10-24
Also published as: DE10118449C1

Abstract

Die Überwachungsvorrichtung weist zumindest zwei Lichtmessstrecken auf, die mittels einer Lichtquelle eine Chemikalienströmung durchleuchten, wobei der von der Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrahlenbündel von einem Lichtsensor empfangen wird. Die vom Lichtsensor ermittelten Messsignale werden in Kombination ausgewertet, so dass komplexe Überwachungsmöglichkeiten mit dieser einfach ausgebildeten Vorrichtung möglich sind.

Description

Vorrichtunq zum Überwachen einer Chemikalienströmung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung.

Vorrichtungen zum Überwachen einer Chemikalienströmung werden in Geräten zur Durchführung chemischer und/oder biologischer Reaktionen eingesetzt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 00/40330 bekannt.

Die WO 00/40330 wird unter Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.

Eine bekannte Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung weist als Lichtquelle eine Leuchtdiode auf, die Licht eines bestimmen Wellenlängenbereiches ausstrahlt. Der Lichtstrahlenbundel der Diode wird auf einen lichtdurchlässigen Schlauch gerichtet, in dem die Chemikalienströmung fließt. Das aus dem Schlauch austretende Licht wird mit einem Lichtsensor empfangen. Da unterschiedliche Chemikalien unterschiedliche Farben aufweisen, wird das Licht von den Chemikalien unterschiedlich stark absorbiert. Das Ausgangssignal des Lichtsensors ist proportional zur Intensität des empfangenen Lichtes.

Diese bekannte Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung wird auf eine bestimmte Lichtdurchlässigkeit der Chemikalienströmung eingestellt. Bei der Durchführung chemischer Reaktionen wird die sich nach der Reaktion ergebende Stoffzusammensetzung mittels eines Schlauches aus einer Reaktionskammer abgeführt. Diese Chemikalienströmung wird dahingehend überwacht, ob die einge- stellte Helligkeit beibehalten wird oder ob die Chemikalienströmung mehr oder weniger Licht absorbiert. Diese bekannte Vorrichtung erlaubt lediglich qualitative Aussagen, ob eine bestimmte Lichtintensität empfangen wird oder eine geringere oder größere Lichtintensität empfangen wird.

Eine ähnliche Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung ist aus der US 4,816,695 bekannt. Diese Vorrichtung weist als Lichtquelle eine Photodiode und als Lichtsensor einen Phototransistor auf, der das eine Fluidströmung kreuzende Licht detektiert. Die Auswerteelektronik dieser Vorrichtung ist zum Detektieren, ob ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, ausgebildet. Der Schwellwert kann mittels eines Potentiometers eingestellt werden.

Aus der EP 0 959 341 A1 geht eine sehr aufwendige Vorrichtung zum Analysieren von Abgasen von Verbrennungseinrichtungen hervor. Hierbei werden mittels Licht- quellen Lichtstrahlen durch die Abgase der Verbrennungseinrichtung hindurch gestrahlt und das Licht wird mittels Empfangseinrichtungen empfangen und in optische Lichtleiter gekoppelt. Die Lichtleiter sind über einen Multiplexer an ein Spek- trometer angeschlossen, mit dem die von den einzelnen Empfangseinrichtungen empfangenen Lichtstrahlen spektral analysiert werden.

In der DE 691 24 600 T2, die dem Europäischen Patent EP 0 528 802 entspricht, ist eine Messvorrichtung zum Messen der Teilchengröße von Teilchen in einer Fluidströmung beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird der Teilchenstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt und die einzelnen Teilströmungen werden mittels einer Lichtquelle durchleuchtet und das durch die Teilströmungen hindurchtretende Licht wird mittels Fotodetektoren erfasst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung derart weiter zu bilden, dass eine präzise Aussa- ge über die im Schlauch befindliche Chemikalienströmung möglich ist. Der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung umfasst

- einen Grundkörper, der eine rohrförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines lichtdurchlässigen Schlauches aufweist,

- zumindest zwei Lichtmessstrecken, wobei eine jede Lichtmessstrecke durch eine Lichtquelle und einen Lichtsensor dargestellt wird, und die Lichtquelle und der

Lichtsensor einer Lichtmessstrecke diametral zur rohrförmigen Ausnehmung derart angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle ausgesendetes Lichtstrahlbündel von dem Lichtsensor empfangen wird, und

- eine Auswerteeinrichtung, die die von den Lichtquellen ausgesandten und von den Lichtsensoren (9, 10, 11) empfangenen Lichtsignale zur Ermittlung einer Flussrate und/oder einer Chemikalienkonzentration auswertet.

Mit der Erfindung werden zumindest zwei Lichtmessstrecken vorgesehen, deren Signale kombiniert ausgewertet werden. Hierdurch können komplexe Überwa- chungsfunktionen realisiert werden, wie zum Beispiel das Detektieren mehrerer unterschiedlicher Chemikalien in der Chemikalienströmung oder der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, woraus in Kombination mit dem Querschnitt des Schlauches die Flussrate der Chemikalienströmung ermittelt werden kann.

Mit den Lichtsensoren wird die Lichtintensität des vollständig auf sie einfallenden Lichtstrahls gemessen. Derartige Lichtsensoren sind kostengünstig und die Signale sind einfach auszuwerten. In Verbindung mit Farbfiltern ist eine auf die jeweiligen Chemikalien abgestimmte einfache „spektrale" Auswertung möglich. Es ist keine spektrale Auswertung im herkömmlichen Sinne, bei welche das Spektrum eines Lichtstrahles analysiert wird, sondern es wird lediglich der durch den Farbfilter begrenzte Wellenlängenbereich in seiner Gesamtheit durch den Lichtsensor erfasst und in ein entsprechendes Lichthelligkeitssignal gewandelt. Mit diesen einfachen Mitteln konnte eine überraschend präzise Detektion bestimmter Chemikalien erzielt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquelle und der Lichtsensor derart positioniert, dass das vom Sender ausgestrahlte Lichtstrahlbündel von dem mit einer Flüssigkeit gefüllten lichtdurchlässigen Schlauch etwa auf den Lichtsensor abgebildet wird. Bei einer solchen Anordnung können Absorptionseffekte und/oder Brechungseffekte quantitativ aufgelöst werden.

Sind zwei der Lichtmessstrecken in Richtung der Chemikalienströmung um einen bestimmten Abstand versetzt angeordnet, so kann aus dem zeitlichen Versatz der von den beiden Lichtmessstrecken empfangenen Signale die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kreuzen sich zwei Lichtmessstrecken an einen Punkt der Mittenachse der rohrförmigen Ausnehmung, und die Lichtquellen und Lichtsensoren dieser Lichtmessstrecken sind jeweils auf unterschiedlichen Wellenlängenbereich abgestimmt. Bei einer solchen Anordnung wird derselbe Fluidbereich der Chemikalienströmung von den sich kreuzenden Lichtmessstrecken detektiert, so dass die Signale der beiden Lichtmessstrecken den selben Fluidab- schnitt betreffen. Durch Vergleich der beiden Signale können unterschiedliche Chemikalien in der Chemikalienströmung detektiert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Überwachen der Chemi- kalienströmung zu einer Reaktionskammer einer Vorrichtung zum Synthetisieren von Oligonukleotiden geeignet, der zum Überwachen auf kleinstem Raum ausführbar ist, wodurch keine langen, entsprechend große Totvolumen verursachende Schlauchstrecken notwendig sind, und hiermit sehr präzise Chemikalienkonzentrationen und Flussraten ermittelt werden können, so dass der Einsatz teurer Chemi- kalien sehr effizient gesteuert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In denen zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung im Teilschnitt und in Explosionsdarstellung,

Figur 2 einen Grundkörper aus Figur 1 in einer Schnittdarstellung, Figur 3 schematisch vereinfachten den optischen Aufbau einer Lichtmessstrecke,

Figur 4 die Abbildung der Lichtquelle auf dem Lichtsensor in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen,

Figur 5 schematisch vereinfacht das optische System aus Figur 3 mit gasge- fülltem Schlauch,

Figur 6a-c Diagramme der Messsignale bei einem Wechsel des Strömungsmediums von Acetonitril zu einem Oxidizer,

Figur 7a-c Diagramme der Messsignale für eine Wasserströmung mit Luftblasen,

Figur 8a-c Diagramme der Messsignale bei einer Acetonitrilströmung mit Gasbla- sen,

Figur 9a-c Diagramme der Messsignale bei einer Oxidizerströmung mit Gasblasen, und

Figur 10 schematisch vereinfacht ein optische System mit Kollimatorlinsen.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung mit einem Grundkörper 1 und zwei Platinen 2, 3 zum Halten von Lichtquellen 4, 5, 6 sowie zwei Platinen 7, 8 zum Halten von Lichtsensoren 9, 10, 11. Der Grundkörper 1 ist aus Aluminium ausgebildet, wobei er durch Fräsen aus einem Aluminiumblock hergestellt wird.

Der Grundkörper 1 ist in einem Teilschnitt entlang der abgewinkelten Schnittlinie A- A dargestellt. Die Platinen 2, 3, 7, 8 sind vom Grundkörper 1 entfernt in der Art einer Explosionsdarstellung in Figur 1 gezeigt. ι

Der Grundkörper 1 ist ein etwa quaderförmiger Körper mit vier Seitenflächen 12a, 12b, 12c und 12d und zwei Stirnflächen 13a, 13b. ln dem Grundkörper 1 ist eine Durchgangsbohrung 14 zur Aufnahme eines lichtdurchlässigen Schlauches 15 eingebracht, die senkrecht zur Ebene der Stirnflächen 13a, 13b verläuft und an den Stirnflächen etwas außermittig angeordnet ist.

Quer zur Durchgangsbohrung 14 sind sacklochartig ausgebildete Aufnahmeboh- rungen 16, 17, 18 in den Grundkörper 1 eingebracht. In den Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 sitzt jeweils eine der Lichtquellen 4, 5, 6, die als Fotodioden ausgebildet sind. Die Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 besitzen jeweils einen zylinderförmigen Hauptabschnitt 16a, 17a, 18a, in dem der Licht emittierende Abschnitt die jeweilige Fotodiode 4, 5, 6 lagert. In Richtung zur Durchgangsbohrung 14 geht der zylinder- förmige Hauptabschnitt 16a, 17a, 18a in eine sich kegelförmig verjüngenden Abschnitt 16b, 17b, 18b über. An die kegelförmigen Abschnitte 16b bis 18b schließt sich jeweils eine an der Durchgangsbohrung 14 mündende Blendenbohrung 19 an, deren Durchmesser deutlich geringer als der des jeweiligen Hauptabschnittes 16a bis 18a ist. Die Blendenbohrungen 19 besitzen einen kreisförmigen Querschnitt und dienen als Blende für den von der jeweiligen Lichtquelle 4, 5, 6 ausgesendeten Lichtstrahlbündel.

Die Aufnahmebohrungen 16 bis 18 sind an den an den Seitenflächen 12a, 12b an- grenzenden Bereichen zu den Seitenflächen 12a, 12b hin mit mehreren Ringstufen aufweitend ausgebildet. Diese Ringstufen sind Paßbohrungen, die zur exakten Positionierung der korrespondierend ausgebildeten Fotodioden 4 bis 6 dienen. Diese Fotodioden 4 bis 6 durchsetzen mit ihren Anschlüssen 20 entsprechende Bohrungen in den Platinen 2, 3, so dass die Fotodioden 4 bis 6 von den Platinen 2, 3 ge- halten werden. Die Platinen 2, 3 sind angrenzend an den Seitenflächen 12a, 12b des Grundkörpers 1 derart angeordnet, dass sich jeweils eine der Fotodioden 4, 5, 6 in einer der Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 befindet, wobei die Fotodioden 4, 5, 6 formschlüssig an den Ringstufen der Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 lagern, wodurch deren Position im Grundkörper 1 und somit bezüglich der Durchgangsboh- rung 14 bzw. bezüglich des Schlauches 15 eindeutig und sehr präzise festgelegt ist.

Diametral gegenüberliegend zu den Aufnahmebohrungen 16 bis 18 münden an der Durchgangsbohrung 14 jeweils Abstrahlbohrungen 21 , die sich jeweils bis zu einer der Seitenflächen 12c, 12d erstrecken (Fig. 2). Die Abstrahlbohrungen 21 sind in geradliniger Verlängerung zu den Aufnahmebohrungen 16 bis 18 angeordnet, so dass ein von der Lichtquelle aus gesandtes Lichtstrahlbündel durch jeweils eine Blendenbohrung 19, die Durchgangsbohrung 14 mit dem darin befindlichen Schlauch 15 und der Abstrahlbohrung 21 hindurchtreten kann. An den im Bereich der Seitenflächen 12c, 12d angeordneten Öffnungen der Abstrahlbohrung 21 ist jeweils ein Lichtsensor 9 bis 11 zum Detektieren des entsprechenden Lichtstrahlbündels angeordnet. Mit dem Lichtsensor wird ein Meßsignal erzeugt, das der Helligkeit (Lichtintensität) des gesamten auf den Lichtsensor einfallenden Lichtes ent- spricht. Die Lichtsensoren 9, 11 werden von den Platinen 7, 8 gehalten, die angrenzend an den Seitenflächen 12c, 12d des Grundkörpers 1 angeordnet sind. Die Platinen 2, 3, 7, 8 sind mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie zum Beispiel Schrauben am Grundkörper 1 befestigt.

Die gesamte Überwachungsvorrichtung kann zum Beispiel in einer Größe von 1,5 cm x 1 ,5 cm x 2 cm ausgebildet sein. An den Platinen 2, 3 und 7, 8 können Elektronikbauteile zum Ansteuern der Leuchtdioden 4 bis 6 bzw. zum Auswerten der Fotosensoren 9, 11 angeordnet sein. Mit den Platinen und den Elektronikbauteilen beträgt die Größe der Überwachungsvorrichtung 2,5 cm x 2,5 cm x 2,0 cm. Als Foto- sensoren werden vorzugsweise Fotodioden verwendet.

Jedes Paar von Lichtquelle und Lichtsensor 4, 9; 5, 10; 6, 11 bildet eine Lichtmessstrecke I, II, III die den Schlauch 15 durchsetzt. Die Lichtquellen 4, 5, 6 werden von einer Steuereinrichtung SE angesteuert. Die Signale der Sensoren 9, 10, 11 wer- den von einer Auswerteeinrichtung AE ausgewertet (Fig. 3).

Die Lichtmessstrecken I, II sind zueinander parallel und mit einem Mittenabstand d von 9 mm angeordnet. Die Leuchtdioden 4, 5 und Fotodioden 9, 10 dieser beiden Messstrecken I, II sind auf einen roten Wellenlängenbereich von λ > 600 nm abge- stimmt. Diese Abstimmung kann durch Vorsehen eines Farbfilters und/oder das Vorsehen einer farbigen Leuchtdiode und/oder durch Abstimmen der spektralen Empfindlichkeit der Sensoren erfolgen. Ein solcher Farbfilter kann bspw. durch eine auf der Leuchtdiode aufgetragene Farbschicht ausgebildet sein. Die Leuchtdiode 6 und die Fotodiode 11 bilden eine Lichtmessstrecke III, die senkrecht zur Lichtmessstrecke I angeordnet ist, wobei sich die beiden Lichtmessstrek- ken an einem Punkt der Längsmittellinie des Schlauches 15 kreuzen und senkrecht zur Längsmittellinie des Schlauches 15 bzw. der Durchgangsöffnung 14 angeordnet sind.

Die Lichtmessstrecke III ist auf blaues Licht der Lichtwellenlänge im Bereich von λ = 390 bis 500 nm abgestimmt.

Figur 3 zeigt schematisch das optische System der Lichtmessstrecke I mit der Leuchtdiode 4 und der Fotodiode 9, die jeweils auf einer optischen Achse 22 der Lichtmessstrecke I angeordnet sind. Die Leuchtdiode 4 ist wie übliche Leuchtdioden aus einem in einem Plexiglaskörper eingefassten Halbleiter ausgebildet. Der Ple- xiglaskörper wirkt wie eine Linse. Zur optimalen Lichtausbeute werden Leuchtdioden mit starker Bündelung des Lichtstrahlbündels auf einen maximalen Abstrahlwinkel von weniger als 30° und vorzugsweise 15° bevorzugt.

Im Bereich zwischen der Leuchtdiode 4 und der Fotodiode 9 befinden sich die als Blende 19 fungierende Blendenbohrung, der Schlauch 15 und eine Austrittsblende 23. Der Schlauch 15 wird in diesem optischen System durch zwei zylindrische Linsen dargestellt (Fig. 3), wobei jede der Linsen den Wandungsabschnitt des Schlauches entspricht, der von dem von der Leuchtdiode 4 abgestrahlten Lichtstrahlbündel durchstrahlt wird. Bei dem in Figur 3 dargestellten optischen System ist der Schlauch 15 mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex typischerweise im Bereich von n = 1 ,3 bis 1 ,4 liegt und somit sich nur geringfügig von dem Brechungsindex des Schlauches 15 unterscheidet. Diese Flüssigkeitssäule ist deshalb als Zylinderlinse 24 in Figur 3 gezeigt. Das aus den beiden „Schlauchlinsen" 15 und der Zylinderlinse 24 bestehende optische System fokussiert das durch die Eintritts- blende 19 und Austrittsblende 23 hindurchtretende Lichtstrahlbündel auf die optische Achse 22 (Fokus F). Im Bereich des Fokus F ist die Fotodiode 9 angeordnet. Unterschiedliche Chemikalien besitzen unterschiedliche Brechungsindizes, weshalb die Lage des Fokus F ein wenig variieren kann. Für die erfindungsgemäße Lichtmessstrecke ist es deshalb zweckmäßig, dass die lichtsensitive Fläche der Fotodiode 9 ausreichend groß ist, um auch bei einem von der Empfangsebene abwei- chende Fokus F das vollständige Lichtstrahlbündel empfangen und dessen Lichtintensität in ein entsprechendes elektrisches Signal umsetzen kann.

In Figur 4 ist eine Reihe von auf der Fotodiode 9 abgebildeten Abbildungsmuster für unterschiedliche Abstände zwischen der Fotodiode 9 und dem Linsensystem 15, 24 bzw. dem Linsensystem 15, 24 und der Leuchtdiode 4 dargestellt. Weicht der Fokus F deutlich von der Empfangsebene der Fotodiode 9 ab, so ist das Abbildungsmuster etwa kreisförmig, da die Blenden 19, 23 jeweils eine kreisförmige Öffnung aufweisen. Je genauer der Fokus mit der Empfangsebene der Fotodiode zusammenfällt, desto stärker wird das Lichtstrahlbündel auf einen schmalen streifenförmi- gen bzw. linsenförmigen Bereich gebündelt. Dieses Abbildungsmuster wird somit sowohl durch die Form der Blenden 19, 23 als auch durch die Fokussierung des zylindrischen Linsensystems 15, 24 ausgebildet.

Bei der erfindungsgemäßen Lichtmessstrecke kommen im Wesentlichen die beiden physikalischen Effekte der Lichtbrechung (Refraktion) und der Absorption zur Geltung.

Die Lichtbrechung erlaubt die Unterscheidung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit im Schlauch 15. Da Gas einen Brechungsindex von n = 1 aufweist, wirken die Schlauchwände optisch wie zwei schwach brechende zylindrische Menisken, so dass das Licht als divergente Strahlenbüschel mit geringer Flächenintensität aus dem Schlauch austritt (Figur 5). Ist der Schlauch mit einer Flüssigkeit gefüllt, die in der Regel einen Brechungsindex von n = 1 ,3 bis 1 ,4 aufweist, wirkt das in Figur 3 gezeigte Linsensystem 15, 24 wie eine stark brechende Zylinderlinse mit kurzer Brennweite, die das Lichtstrahlbündel auf die Fotodiode 9 fokussiert.

Dementsprechend wird bei dem mit Gas gefüllten Schlauch von der Fotodiode 9 eine geringe Lichtintensität gemessen, da mit der Sensorfläche nur ein geringer Bruchteil des divergierenden Lichtstrahlbüschels detektiert wird. Bei mit Flüssigkeit gefülltem Schlauch wird das Lichtstrahlbündel fast vollständig auf die Fotodiode 9 fokussiert, wobei mit der Fotodiode 9 der gesamte Lichtstrahlbündel erfasst und eine entsprechend höhere Lichtintensität gemessen wird.

Messungen haben gezeigt, dass der Signalabstand des Signals der Fotodiode 9 zwischen mit Gas und mit Flüssigkeit gefülltem Schlauch bei 1 :2 liegt und damit weit über dem Signalrauschabstand liegt.

Der weitere physikalische Effekt, die Absorption, wird zur Detektion der im Schlauch befindlichen Chemikalie bzw. Chemikalien verwendet. Das in Figur 3 gezeigte optische System, das einen definierten Lichtstrahlbündel auf die Fotodiode 9 abbildet, erlaubt eine sehr präzisere Auswertung der spektralen Absorption. Hierdurch ist es möglich, quantitative Aussagen über die Konzentration bestimmter Chemikalien zu treffen. Dies gilt insbesondere, wenn vergleichende Absorptionsmessungen mit Lichtmessstrecken ausgeführt werden, die auf einen unterschiedlichen Wellenlängenbereiche abgestimmt sind.

Eine weitere Erhöhung der Präzision der Lichtmessstrecke zur Absorptionsmes- sung wird bei dem in Figur 10 schematisch dargestellten optischen System erzielt, bei welchem gegenüber dem optischen System aus Figur 3 zusätzlich zwei Kollimatorlinsen 25, 26 derart eingesetzt sind, dass das Lichtstrahlbündel auf die Längsmittenachse des Schlauches 15 fokussiert wird, wodurch alle Lichtstrahlen diese Längsmittenachse kreuzen und somit auf einer Durchmesserlinie des Schlau- ches 15 verlaufen. Jeder Lichtstrahl legt somit innerhalb des Schlauches die gleiche Weglänge, nämlich den Durchmesser D des Schlauches 15, zurück. Dies hat zur Folge, dass alle Lichtstrahlen gleichmäßig einer Absorption durch das im Schlauch enthaltene Medium unterliegen. Da der Strahlengang in einem solchen optischen System unabhängig vom Brechungsindex des im Schlauch 15 enthaltenden Medi- ums ist, ist eine solche Anordnung unempfindlich gegenüber dem oben erläuterten Brechungseffekt. Mit einer solchen Lichtmessstrecke kann somit nicht zwischen einem gasförmigen und flüssigen Medium aufgrund der Brechungseffekte unterschieden werden und das Messsignal hängt zudem nicht von der Schlauchgeome- trie ab, da die Lichtstrahlen die Oberfläche des Schlauches im rechten Winkel kreuzen. Die Absorptionsmessung kann bei einer solchen Lichtmessstrecke jedoch äußerst präzise erfolgen.

Nachfolgend wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung in einer Vorrichtung zum Synthetisieren von DNA-Sequenzen erläutert. Eine solche Vorrichtung zum Synthetisieren von DNA- Sequenzen ist beispielsweise aus der WO 00/40330 bekannt. Hierbei werden Reaktionsgefäße unterschiedliche Chemikalien, wie zum Beispiel ein Aktivator, vier unterschiedliche Basenreagenzien A, C, G und T, zwei unterschiedliche Cappin- greagenzien, eine Abspaltreagenz, eine Oxidationsreagenz, eine Waschreagenz und zwei unterschiedliche Spülungen, wie zum Beispiel Argon und Acetonitril, zugeführt. Die Basenreagenzien werden in der Reaktionskammer zu DNA-Sequenzen synthetisiert. Hierbei wird Dimethoxytrityl (= DMT) abgespaltet. Dimethoxytrityl weist eine intensive rotbraune Färbung auf. Die Konzentration von Dimethoxytrityl ist ein Maß für die Effizienz des jeweiligen Synthesevorganges.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Chemikalienströmung ist deshalb an der Ausgangsseite der Reaktionskammer angeordnet und überwacht die hieraus austretende Chemikalienströmung. Die Lichtmessstrecken I und II, die zueinander parallel verlaufen, sind auf rotes Licht der Wellenlänge λ = 637 nm abgestimmt. Die Lichtmessstrecke III ist auf blaues Licht der Wellenlänge λ = 435 nm abgestimmt. Dieses blaue Licht entspricht dem Absorptionsband von DMT. Aus dem Messsignal der Lichtmessstrecke III lässt sich somit die DMT-Konzentration berechnen, wobei in die Rechnung allein das Absorptionsgesetz für Licht und der Geometriefaktor des Schlauches eingeht.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Messstrecke III keine Kollimatoroptik vorgesehen, weshalb Luftblasen eine geringe DMT-Färbung vortäu- sehen können. Um eine solche Fehlmessung ausschließen zu können, werden mit der Lichtmessstrecke I Luftblasen aufgrund des Brechungseffektes detektiert. Wird mit der Lichtmessstrecke I das Vorhandensein von Luftblasen detektiert, so werden die gleichzeitig von der Lichtmessstrecke III gemessenen DMT-Konzentrationen verworfen.

Bei einer Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung zum Syntheti- sieren der DNA-Sequenzen kann feinster Metallstaub abgerieben und von der Chemikalienströmung aufgenommen werden. Ein solcher Metallstaub absorbiert sowohl rotes als auch blaues Licht. Durch eine kombinierte Auswertung der Signale der Lichtmessstrecken I und III kann somit das Vorhandensein von Metallstaub oder anderen Verunreinigungen festgestellt und eine Fehlfunktion der Synthesevor- richtung festgestellt werden.

Bei einer Änderung der der Reaktionskammer zuzuführenden Reagenzien ist es unvermeidlich, dass Luftblasen in die Chemikalienströmung gelangen. Die Figuren 8a bis 8c bzw. 9a bis 9c zeigen jeweils die Signale S der Lichtmessstrecken I bis III für eine Strömung von Acetonitril (Fig. 8a bis 8c) mit Luftblasen bzw. von Oxidizer (Fig. 9a bis 9c) mit Luftblasen. Acetonitril absorbiert weder das rote noch das blaue Licht, so dass aufgrund des oben erläuterten Brechungseffektes lediglich beim Auftreten der Luftblasen eine Verminderung der Lichtintensität feststellbar ist, die hier in kurzen Schwankungen auftritt. Als Oxidizer wird eine Mischung aus Tetrahydrofu- ran, Phyridin und Jodin verwendet, weshalb das Signal der Lichtmessstrecke III beim Vorliegen von Oxidizer in Abhängigkeit von dessen Konzentration absorbiert wird, wohingegen die Signale der Lichtmessstrecken I und II beim Vorliegen von Oxidizer ihren vollen Pegel besitzen. Jedoch erkennt man auch hier die Luftblasen durch plötzliche kurzzeitige starke Schwankungen im Signal. Diese kurzzeitigen Schwankungen der Lichtmessstrecke I und II weisen im Wesentlichen den gleichen Verlauf auf, der jedoch um eine bestimmte Zeitspanne Δt versetzt ist. Aufgrund des festgelegten Abstandes zwischen den Lichtmessstrecken I und II kann aus dieser Zeitdifferenz Δt die Laufzeit der Luftblasen und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Chemikalienströmung ermittelt werden.

Das Auftreten der Luftblasen kann somit zum präzisen Ermitteln der Chemikalienströmung und in Verbindung mit dem Innendurchmesser des Schlauches zum Ermitteln des Chemikaliendurchsatzes verwendet werden. Dies erlaubt die Feststel- lung von Undichtigkeiten oder Verstopfungen in der Synthesevorrichtung oder eines Ausfalls der Förderpumpe. Diese Fehlfunktion können sofort festgestellt und die Synthese verworfen werden.

Insbesondere lässt sich mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung der Gasanteil bei der Zugabe der Reagenzien bestimmen, wodurch ein individuelles Nachfüllen der Reaktionskammern möglich ist, um fehlende Flüssigkeitsmengen auszugleichen. Auf diese Weise kann die Syntheseausbeute auch bei langen DNA- Ketten während der gesamten Synthese optimiert und gleichzeitig teure Chemikali- en eingespart werden. Bisher war es üblich, die Förderzeit der Chemikalien länger einzustellen, als es bei einer luftblasenfreien Förderung notwendig gewesen wäre. Hierdurch wird das Auftreten von Luftblasen in der Regel ausreichend kompensiert. Die Chemikalien sind sehr teuer und werden in der Regel nicht vollständig genutzt, und in extremen Fällen reicht der Überschuss an Chemikalien nicht aus, wodurch die Synthese beeinträchtigt wird. Das Zuführen derartiger überschüssiger Chemikalien kann durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfallen. Mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung können die Chemikalien exakt dosiert zugeführt werden.

Aufgrund der präzisen optischen Anordnung und der mehreren Lichtmessstrecken genügt es, die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung anhand von Eichmessungen mit einer beliebig klaren Flüssigkeit, wie zum Beispiel Acetonitril, vor Beginn einer Synthese zu kalibrieren. Eine aufwendige elektronische Kalibrierung mit Flüssigkeiten mit geeichter Färbung ist nicht nötig.

Nach dem Kalibrieren mit einer klaren Flüssigkeit kann das Messsignal nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ ausgewertet werden. Dies ergibt sich aus folgender Formel:

/ = ^~ ^ ,

wobei I die gemessene Intensität, l₀ die bei der Kalibriermessung gemessene Intensität ist, μ der Absorptionsfaktor und x_Θff die effektive Weglänge ist, die das Licht durch das Fluid zurücklegt. Das zu messende Fluid ist ein Gemisch aus der klaren Kalibrierflüssigkeit und der zu messenden Chemikalie. Der Absorptionsfaktor ist für diese bestimmte Chemikalie bekannt, so dass aus obiger Gleichung nach Messung der Lichtintensität die effektive Weglänge berechnet werden kann. Aus dieser ef- fektiven Weglänge kann der Anteil der Chemikalie im gesamten Fluid bestimmt werden, so dass die durchfließende Chemikalienmenge quantitativ erfasst wird.

Bei einer solchen quantitativen Auswertung ist das in Fig. 10 gezeigte optische System mit Kollimatorlinsen besonders vorteilhaft, da es auch bei geringen gemesse- nen Lichtintensitäten eine exakte Auswertung ermöglicht.

Bei der Überwachung der Synthese von Oligonukleotiden ist im Wesentlichen der DMT-Anteil zu bestimmen. Der Anteil an Oxidizer und der Anteil von IRD700 können grundsätzlich auch bestimmt werden. Die entsprechenden spektralen Bereiche, mit welchen die einzelnen Substanzen überwacht werden können, und die Typen der korrespondierenden Leuchtdioden und Fotodioden sind in nachfolgenden Tabellen für die Messung der Konzentration und die Messung der Gasblasen angegeben.

Messung Konzentration:

Substanz I Spektraler Bereich Leuchtdiode Photodiode

Messung Gasblasen:

Substanz I Spektraler Bereich Leuchtdiode Photodiode

Bei jeder erfolgreichen Synthese eines Oligonukleotides wird eine DMT-Gruppe abgespaltet. Die Menge an DMT ist somit proportional zu den vollständig synthetisierten Oligonukleotiden. Bei der Auswertung der Messsignale kann deshalb durch Bestimmen des Integrals über den DMT-Anteil ein Maß für die Anzahl der erfolgreichen Synthesen der Oligonukleotide ermittelt werden.

Die in Fig. 6a bis 6c dargestellten Diagramme zeigen einen Wechsel von Acetonitril zu Oxidizer. Hierbei sind in Fig. 6a die Messsignale einer auf blauen Licht sensiti- ven Lichtmessstrecke und in den Fig. 6b und 6c die Messsignale einer auf roten Licht sensitiven Lichtmessstrecke gezeigt. Aus Fig. 6a geht hervor, dass mit blauem Licht die Chemikalien, Acetonitril und Oxidizer, sowie die Luftblasen jeweils einen unterschiedlichen Messpegel verursachen, so dass das Vorhandensein einer bestimmten Chemikalie eindeutig detektiert werden kann. Die beiden Chemikalien sind hingegen für rotes Licht gleichermaßen transparent (Fig. 6b, 6c), so dass rotes Licht zur eindeutigen Detektion von Luftblasen geeignet ist. Ähnlich verhalten sich die Lichtmessstrecken beim Durchleiten von Wasser, das sowohl für rotes als auch für blaues Licht transparent ist (Fig. 7a bis 7c).

Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels mit drei Lichtmessstrek- ken beschrieben. Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich auch lediglich nur zwei Lichtmessstrecken oder mehr als drei Lichtmessstrecken vorgesehen sein. Je größer die Anzahl der Lichtmessstrecken ist, desto komplexere Überwachungsaufgaben können erfüllt werden. Die Erhöhung der Anzahl der Lichtmess- strecken erlaubt insbesondere die Detektion unterschiedlicher Chemikalien.

Der einfache Aufbau gestattet es, die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung als Seriengerät in großer Stückzahl herzustellen und im Dauerbetrieb in Fertigungsoder Produktionsprozessen zur Qualitätsüberwachung zu verwenden. Bezugszeichen:

1 Grundkörper

2 Platine

3 Platine

4 Lichtquelle

5 Lichtquelle

6 Lichtquelle

7 Platine

8 Platine

9 Lichtsensor

10 Lichtsensor

11 Lichtsensor

12a, 12b, 12c, 12d Seitenfläche

13a, 13b Stirnfläche

14 Durchgangsbohrung

15 Schlauch

16 Aufnahmebohrung

17 Aufnahmebohrung

18 Aufnahmebohrung

19 Blendenbohrung

20 Anschluss von einer der Lichtquellen

21 Abstrahlbohrung

22 optische Achse

23 Austrittsblende

24 Zylinderlinse

25 Kollimatorlinse

26 Kollimatorlinse

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung, mit - einem Grundkörper (1), der eine rohrförmige Ausnehmung (14) zur Aufnahme eines lichtdurchlässigen Schlauches (15) aufweist,

- zumindest zwei Lichtmessstrecken (I, II, III), wobei eine jede Lichtmesstrecke (I, II, III) durch eine Lichtquelle (4, 5, 6) und einen Lichtsensor (9, 10, 11) zum Messen der Lichtintensität des empfangenen Lichtstrahlbündels dargestellt wird, und die Lichtquelle (4, 5, 6) und der Lichtsensor (9, 10, 11) einer Lichtmessstrecke (I, II, III) diametral zur rohrförmigen Ausnehmung (14) derart angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle (4, 5, 6) ausgesendetes Lichtstrahlbündel von dem Lichtsensor (9, 10, 11) empfangen wird, und

- einer Auswerteeinrichtung (AE), die die von den Lichtquellen (4, 5, 6) ausgesand- ten und von den Lichtsensoren (9, 10, 11) empfangenen Lichtsignale zur Ermittlung einer Flußrate und/oder einer Chemikalienkonzentration auswertet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4, 5, 6) und der Lichtsensor (9, 10, 11) derart positioniert sind, dass das vom Sender ausgestrahlte Lichtstrahlbündel von dem mit einer Flüssigkeit gefüllten lichtdurchlässigen Schlauch (15) etwa auf den Lichtsensor (9, 10, 11) abgebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 5, 6) Leuchtdioden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (9, 10, 11) Fotodioden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmessstrecken (I, II, III) zumindest mit einer Blende (19, 23) versehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu jeder Lichtquelle (4, 5, 6) und benachbart zu jedem Lichtsensor (9, 10, 11) eine Blende (19, 23) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (19, 23) als kreisförmige Blende ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der Lichtmessstrecken Koilimatorlinsen (25, 26) zum Bündeln des von der Lichtquelle (4, 5, 6) ausgesandten Lichtstrahlbündels auf die Mittenachse der rohrförmigen Ausnehmung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Lichtmessstrecken (I, II) in Richtung der Chemikalienströmung um einen bestimmten Abstand versetzt angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 5, 6) und die Lichtsensoren (9, 10, 11 ) der in Richtung der Chemikalienstrecken versetzt angeordneten Lichtmessstrecken auf jeweils den gleichen Wellenlängenbereich abgestimmt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 5, 6) und die Lichtsensoren (9, 10, 11) der in Richtung der Chemikalienstrecken versetzt angeordneten Lichtmessstrecken auf einen Wellenlängenbereich mit λ > 600 nm abgestimmt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Lichtmessstrecken (I, III) sich an einem Punkt der Mittenachse der rohrförmigen Ausnehmung (14) kreuzen, und die Lichtquellen (4, 5, 6) und Licht- sensoren (9, 10, 11) dieser Lichtmessstrecken jeweils auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche abgestimmt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmessstrecken (I, II, III) jeweils mit einem Farbfilter versehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) Passbohrungen zur Aufnahme der Lichtquellen (4, 5, 6) aufweist, so dass die Position der Lichtquellen (4, 5, 6) bzgl. der rohrförmigen Ausnehmung eindeutig festgelegt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Paßbohrungen mittels einer im Querschnitt kreisförmigen Durchgangsbohrung (19) mit der rohrförmigen Ausnehmung verbunden sind, wobei diese Durchgangsbohrungen jeweils eine Blende bilden.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einer Vorrichtung zum Synthetisieren von DNA, um die Chemikalienströmung zu einer Reaktionskammer zu überwachen.