WO2012126645A1 - Flache optische mediendetektion in mindestens zwei schichten mit optischer trennung - Google Patents

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WO2012126645A1
WO2012126645A1 PCT/EP2012/050934 EP2012050934W WO2012126645A1 WO 2012126645 A1 WO2012126645 A1 WO 2012126645A1 EP 2012050934 W EP2012050934 W EP 2012050934W WO 2012126645 A1 WO2012126645 A1 WO 2012126645A1
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WO
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light beam
liquids
medium
optical
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PCT/EP2012/050934
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Inventor
Martina Daub
Jochen Rupp
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G01N2021/056—Laminated construction

Definitions

  • the present invention relates to a system for the optical detection of liquids, to a device for controlling a system according to the invention for the optical detection of liquids and to a method for the detection of liquids.
  • the invention also provides an optical switch and a method for directing light beams.
  • optical systems are preferably used, which are characterized by absorption or modification of the
  • Reflection angle detect a level.
  • discrete components are placed at the points to be monitored or measured via optical fibers.
  • the optical components required for this purpose are made
  • EP 1058099 A2 discloses a system for measuring liquids with a light source, a reflector and a detector with flats and
  • the flattening is at the apex of a triangle formed by the light source, the flattened side and the detector.
  • the angle between the light source and a normal to the flat side is equal to the angle between the detector and the normal to the flat side.
  • the elevation is in contact with the liquid, the light is reflected to the detector according to the relative indices of refraction.
  • the system disclosed in EP 1058099 A2 can be used for example in the tank of a vehicle, in the water tank of a humidification system, in the dosing tank of an automatic medical or chemical analyzer or for the determination of water in a closed electronic system.
  • US 20090226127 discloses a system for optically detecting analytes such as ligands or glucose in liquids in one
  • the system disclosed in US 20090226127 comprises a conduit for transporting liquids, the conduit comprising a first region and a first waveguide resonant body which is optically resonant for a first spectral component when the liquid in the first region has a certain refractive index and wherein the first Waveguide resonant body is optically resonant for a second spectral component when the liquid in the first region a second
  • DE 10 2004 055 032 B4 claims a device for determining the concentration of glucose dissolved in interstitial fluid with an optical body which is at least partially surrounded by a measuring matrix, wherein the measuring matrix is in contact with the interstitial fluid.
  • the apparatus also includes a light source arranged to radiate light into the optical body and a detector arranged to detect light transmitted from the optical body due to total reflection and emitted in a certain direction, the light source being a light source optical body has a refractive index which is greater than the refractive index of the measuring matrix at a glucose concentration in the interstitial fluid of 20-800 mg / dL by 0.175 to 0.00005. Disclosure of the invention
  • the invention relates to a system for the optical detection of
  • Liquids comprising an insert with two contiguous
  • first layer and the second layer are substantially optically separated and are optically coupled only in the measuring range and wherein at least one microfluidic structure for the passage of liquids is in the measuring range and wherein in the first layer, a light beam can be coupled and wherein the second layer is also transparent to the injected light beam.
  • An advantage of the invention is that the optical separation in the measuring range is canceled and can be integrated into the insert.
  • the optical separation between the first layer and the second layer minimizes stray light effects.
  • the coupling of the light is particularly simple and space-saving feasible from the side.
  • An optimal optical coupling is ensured by a recess in the insert itself.
  • the mechanism is reversible and repeatable as often as desired. In a filled channel, a detection of bubbles is possible.
  • An embodiment of the invention relates to a system for the optical detection of liquids, which is characterized in that the first layer and the second layer are optically separated by an auxiliary layer. This results in a more efficient separation of the two layers.
  • An embodiment of the invention relates to a system for the optical detection of liquids, which is characterized in that the microfluidic structure is a channel. Through the channel, the liquid can be passed.
  • An embodiment of the invention relates to a system for the optical detection of liquids, which is characterized in that the coupled light beam is held in the first layer by total internal reflection (TIR).
  • An embodiment of the invention relates to a system for the optical detection of liquids according to one of claims 1 to 4, characterized in that the medium in the microfluidic structure in the measuring range a
  • Refractive index n1 which is smaller than a refractive index n3, where n3 is the refractive index of the medium and n1 is the refractive index of air, and the light beam is thereby held in the first layer.
  • An embodiment of the invention relates to a system, characterized
  • the medium is a liquid.
  • One embodiment of the invention relates to a system for the optical detection of liquids comprising a light source and a detector.
  • the invention is also a device for controlling a
  • a system for the optical detection of liquids according to the invention comprising a light source and a detector.
  • An embodiment of the invention relates to a device for controlling a system for optical
  • the light source is arranged laterally with respect to the first layer and the detector laterally with respect to the second layer.
  • the invention also provides a method for liquid detection, characterized in that a system for the optical detection of
  • Liquids is used, wherein the microfluidic structure is filled in the first layer with a first medium having a refractive index, in which the conditions for total reflection in the first layer are met and in which then the microfluidic structure is filled with a second medium and wherein the refractive index in the measuring range changes due to the incoming second medium, so the conditions for the total reflection are not are more satisfied and the light beam is passed into the second layer and this deflection of the light beam is measured with the detector and thereby determined when the liquid front has reached the measuring range.
  • the invention relates to an optical switch for steering a
  • Light beam comprising a light source, a detector and two
  • the invention relates to a method for directing a light beam, wherein the microfluidic structure of an optical switch according to the invention is filled with a first medium having a refractive index at which total reflection is present in the first layer and then filling the microfluidic structure with a second medium , wherein the second medium has a refractive index at which the conditions for total reflection in the first
  • Layer are no longer given and thereby the light beam is passed in place in the second layer, are optically coupled to the first layer and the second layer and the light beam thereby changes its propagation direction.
  • the insert comprises at least two contiguous layers 1 and 2.
  • the insert may comprise further layers.
  • the insert can be a multi-layer structure with, for example, 2 to 20 or more
  • the first layer and the second layer are transparent to the injected light beam.
  • the first layer and the second layer may be made of the same material.
  • the materials for the first layer and the second layer are selected, for example, from polycarbonate, polypropylene or glass.
  • the optical separation optical separation layer
  • the optical separation layer may consist, for example, of colored polycarbonate (PC), colored polypropylene (PP) or colored glass.
  • a light beam is coupled by a light source.
  • Light sources are used, for example, incandescent lamps, LEDs or
  • the light has a wavelength in the range of IR, visible light or UV.
  • light with one is suitable
  • Wavelength between 200 and 1200 nm Wavelength between 200 and 1200 nm.
  • the coupling of the light takes place for example by mechanical contact of the light source with the
  • the coupled light beam is controlled by total internal reflection (TIR)
  • Total reflection is kept in the first layer. Total reflection is a wave phenomenon that is particularly observable in light. She enters the
  • the optical resolution can be achieved, for example, by coloring the optical separation or by a metal coating.
  • the first layer and the second layer are optically coupled in the measurement area, i. Under suitable conditions, the light beam coupled in the first layer can be conducted in the measuring range from the first layer to the second layer. In one state of the system, no transition of the light beam takes place despite the optical coupling between the first layer and the second layer. This state is, for example, the initial state.
  • Total reflection in the measuring range is achieved by the medium in the Measuring range has a suitable refractive index n1 with n1 ⁇ n3 and the light beam is thereby held in the first layer.
  • N3 is the
  • An example of conditions for the transition from the first layer to the second layer in the measuring range can be taken from the drawings, for example.
  • the medium in the measuring range in the initial state is already a liquid, which can then be replaced by another liquid.
  • the measuring area contains at least one microfluidic structure.
  • the microfluidic structure may for example be a channel.
  • the shape of the channel is angular, for example square or angular and chamfered for setting the critical angle.
  • the microfluidic structure is a straight channel.
  • the measuring range has the form of the microfluidic structure, the microfluidic structure is the measuring range. If the microfluidic structure is a channel, then the measuring range has the shape of the channel.
  • the measuring range can take the form of a
  • the measuring range is, for example, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 micrometers long.
  • the measuring range has in cross section, for example, the shape of a circle, oval, rectangle or square.
  • the measuring area may have a different shape and / or a different diameter at different locations.
  • the measuring range has, for example, a diameter of 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 micrometers.
  • the entire microfluidic structure is the measuring range.
  • a light source and a detector are required in addition to the insert.
  • the light source may be directly connected to the contiguous layers.
  • the light source can only be placed next to the contiguous layers.
  • the light source may be part of a device for controlling the system.
  • the light source must in any case be arranged or constructed so that light rays only in the first layer, but not in the second layer inject.
  • Suitable light sources are, for example, incandescent lamps, LEDs or laser diodes.
  • the detector may be directly connected to the contiguous layers.
  • the detector can only be placed next to the contiguous layers.
  • the detector may be part of a device for controlling the system. In any case, the detector must be arranged so that it detects only light rays in the second layer but not in the first layer.
  • the proof is for example by
  • a detector is suitable, for example
  • CCD charge coupled device
  • the individual components namely insert, detector and light source can be provided independently of each other and, for example, assembled only shortly before or during the measurement.
  • a device for controlling and receiving the insert may include the light source and the detector. The insert can then be replaced.
  • the insert may be a disposable article or a reusable part.
  • the structure consisting of a device for controlling the insert and the insert is flexible because
  • the present invention thus represents a flexible solution, since only one light source and one detector are advantageously contacted laterally to the component and thus the local definition of the measuring point or the measuring points or the measuring range is not limited by the device or fixed from the outset.
  • the structure consists of two contiguous layers which are optically coupled only at the measuring point, otherwise optically separated by an auxiliary layer.
  • a light beam is coupled in such a way that it is trapped in this layer by total reflection.
  • the beam path is defined by the critical angle between the surrounding medium and the layer material.
  • the mentioned channel structures for fluids are included, which must coincide with the measuring point.
  • the second layer is also optically transparent to the light beam coupled in the first layer. If the medium in the channel or at the measuring point has a refractive index
  • the beam is held in the first layer. If the refractive index changes due to an incoming medium, the beam is held in the first layer. If the refractive index changes due to an incoming medium, the beam is held in the first layer. If the refractive index changes due to an incoming medium, the
  • the second layer has a refractive index which passes through the beam in the second layer
  • a light beam coupled in a medium is conducted from a first optical layer into a second layer as soon as the
  • Refractive index n3 increased in the measuring range due to media change.
  • the two optical layers are optically separated from each other. For example, when a transition from air to water takes place, it changes
  • Liquid dosage that is essential for many applications.
  • a tracking of liquids is possible and generates a signal about the detected light beam when a liquid front has filled a discrete section in a microfluidic system.
  • the fluid detection system may be used for analysis, for example, for diagnostic applications.
  • the system can be used whenever liquids are routed, channeled or separated.
  • the channels integrated in the exchangeable insert part are preferably evacuated in the initial state
  • the system for detecting liquids can be used, for example, in lab-on-a-chip applications.
  • the system can be used to detect bubbles in liquids.
  • the principle can be used as an optical switch. Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a system for optical
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a system for optical
  • TIR Reflection
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of a system for optical
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of a system for optical
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of a system for optical
  • Fig. 6 oblique view of a system for the optical detection of
  • Figure 1 shows the basic structure of the optical system for the detection of liquids with a first layer 1, a second layer 2, a
  • Measuring range 3 an optical separation 4, a light source 5 and a detector. 6
  • the dimensions for typical measuring ranges (channel dimension) are in the range of a few 10 to 500 ⁇ .
  • FIG. 1 can be, for example, a lab-on-a-chip analysis system.
  • Figure 2 shows the basic structure of the optical system with the
  • TIR total internal reflection
  • FIG. 3 shows a course 8 of a beam path of a light beam coupled into the first layer 1 in the optical system with total internal reflection of the light beam in the first layer 1 and subsequent absorption of the light beam at the optical separation 4.
  • FIG. 4 shows a profile 9 of a beam path of a light beam coupled in in the first layer 1 in the optical system with total internal reflection and without absorption at the optical separation 4.
  • the optical separation 4 For example, outside the optical system (as surrounding medium) and in the measuring region 3 air (n1 (Air); n2 (PC); n3 (medium)).
  • the light beam is reflected in the first layer 1 and no signal is received at the detector.
  • FIG. 5 shows a profile 9 of a beam path of a light beam coupled in in the first layer 1 in the optical system with total internal reflection and without absorption at the optical separation 4.
  • FIG. 5 shows the process of switching between first and second layer 1, 2
  • n1 e.g., air
  • n2 e.g., PC
  • ⁇ / n3 (medium); n4.
  • FIG. 6 shows, by way of example, a system for controlling an optical system with light source 5 and detector 6.
  • the arrangement of detector 6 can also take place on the same side as the arrangement of light source 5.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten umfassend ein Einlegeteil mit zwei zusammenhängenden Schichten (1, 2), wo bei die erste Schicht (1) und die zweite Schicht (2) im Wesentlichen optisch getrennt sind (4) und nur im Messbereich (3) optisch gekoppelt sind, wobei sich im Messbereich (3) mindestens eine mikrofluidische Struktur zum Durchleiten von Flüssigkeiten befindet, wobei in der ersten Schicht (1) ein Lichtstrahl einkoppelbar ist und durch totale interne Refluxion gehalten wird und wobei die zweite Schicht (2) für den eingekoppelten Lichtstrahl transparent ist.

Description

Beschreibung
Titel
Flache optische Mediendetektion in mindestens zwei Schichten mit optischer Trennung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten, ein Gerät zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Systems zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten und ein Verfahren zum Nachweis von Flüssigkeiten. Gegenstand der Erfindung ist auch eine optische Weiche und ein Verfahren zum Lenken von Lichtstrahlen.
Stand der Technik
In miniaturisierten Analysesystemen beispielsweise für diagnostische
Anwendungen werden Flüssigkeiten durch Kanäle geleitet, zueinander geführt oder getrennt. Diese Systeme bestehen zumeist aus einem Gerät für die Steuerung (Equipment) und einem auswechselbaren Einlegeteil (Disposable). Die im auswechselbaren Einlegeteil integrierten Kanäle sind im
Ausgangszustand evakuiert beziehungsweise mit Schutzgas oder im einfachsten Falle mit Luft gefüllt. Eine genaue Flüssigkeitsdosierung ist für viele
Anwendungen essentiell und erfordert daher ein Tracking von Flüssigkeiten, welches ein Signal ergibt, wenn eine Flüssigkeitsfront einen diskreten
Streckenabschnitt befüllt hat. Für diesen Zweck werden optische Systeme vorzugsweise genutzt, die über Absorption oder Änderung des
Reflexionswinkels einen Füllstand detektieren. Dabei werden an die Stellen, die überwacht werden sollen diskrete Bauelemente platziert bzw. über Lichtleiter gemessen. Die hierzu benötigten optischen Komponenten werden aus
Kostengründen in das Analysegerät integriert. EP 1058099 A2 offenbart ein System zur Messung von Flüssigkeiten mit einer Lichtquelle, einem Reflektor und einem Detektor mit Abflachungen und
Erhöhungen. Die Abflachung befindet sich an der Spitze eines Dreiecks, das von der Lichtquelle, der abgeflachten Seite und dem Detektor gebildet wird. Der Winkel zwischen der Lichtquelle und einer Senkrechten zu der flachen Seite ist gleich dem Winkel zwischen dem Detektor und der Senkrechten zu der flachen Seite. Wenn die Erhöhung mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, wird das Licht gemäß den relativen Brechungsindizes zum Detektor reflektiert. Das in EP 1058099 A2 offenbarte System kann beispielsweise im Tank eines Fahrzeugs, im Wassertank einer Befeuchtungsanlage, im Dosierungsbehälter eines automatischen medizinischen oder chemischen Analysengeräts oder zur Bestimmung von Wasser in einen geschlossenen elektronischen System verwendet werden.
US 20090226127 offenbart ein System zum optischen Nachweis von Analyten wie beispielsweise Liganden oder Glukose in Flüssigkeiten in einer
mikrof luidischen Anwendung. Das in US 20090226127 offenbarte System umfasst eine Leitung zum Transport von Flüssigkeiten, wobei die Leitung einen ersten Bereich umfasst und einen ersten Wellenleitungsresonanzkörper, der optisch für eine erste Spektralkomponente in Resonanz ist, wenn die Flüssigkeit im ersten Bereich einen bestimmten Brechungsindex hat und wobei der erste Wellenleitungsresonanzkörper optisch für eine zweite Spektralkomponente in Resonanz ist, wenn die Flüssigkeit im ersten Bereich einen zweiten
Brechungsindex hat.
DE 10 2004 055 032 B4 beansprucht eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von in interstitieller Flüssigkeit gelöster Glukose mit einem optischen Körper, der zumindest teilweise mit einer Messmatrix umgeben ist, wobei die Messmatrix mit der interstitiellen Flüssigkeit in Kontakt steht. Die Vorrichtung umfasst auch eine Lichtquelle, die so angeordnet ist, dass sie Licht in den optischen Körper hineinstrahlt und einen Detektor, der so angeordnet ist, dass er von dem optischen Körper aufgrund von Totalreflexion transmittiertes und in eine bestimmte Richtung emittiertes Licht detektiert, wobei der optische Körper einen Brechungsindex besitzt, der bei einer Glukosekonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit von 20-800 mg/dl um 0, 175 bis 0,00005 größer als der Brechungsindex der Messmatrix ist. Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein System zum optischen Nachweis von
Flüssigkeiten umfassend ein Einlegeteil mit zwei zusammenhängenden
Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und die zweite Schicht im wesentlichen optisch getrennt sind und nur im Messbereich optisch gekoppelt sind und wobei sich im Messbereich mindestens eine mikrofluidische Struktur zum Durchleiten von Flüssigkeiten befindet und wobei in der ersten Schicht ein Lichtstrahl einkoppelbar ist und wobei die zweite Schicht für den eingekoppelten Lichtstrahl ebenfalls transparent ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die optische Trennung im Messbereich aufgehoben wird und in das Einlegeteil integriert werden kann. Durch die optische Trennung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht werden Streulichteinflüsse minimiert. Die Einkopplung des Lichtes ist besonders einfach und platzsparend von der Seite realisierbar. Eine optimale optische Kopplung wird durch eine Vertiefung im Einlegeteil selbst gewährleistet. Der Mechanismus ist reversibel und beliebig oft wiederholbar. In einem gefüllten Kanal ist eine Detektion von Blasen möglich.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Schicht und die zweite Schicht durch eine Hilfsschicht optisch getrennt sind. Dadurch erfolgt eine effizientere Trennung der zwei Schichten.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mikrofluidische Struktur ein Kanal ist. Durch den Kanal kann die Flüssigkeit geleitet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der eingekoppelte Lichtstrahl in der ersten Schicht durch totale interne Reflektion (TIR) gehalten wird. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in der mikrofluidischen Struktur im Messbereich einen
Brechungsindex n1 aufweist, der kleiner als ein Brechungsindex n3 ist, wobei n3 der Brechungsindex des Mediums und n1 der Brechungsindex von Luft ist, und der Lichtstrahl dadurch in der ersten Schicht gehalten wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System, dadurch
gekennzeichnet, dass das Medium eine Flüssigkeit ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten umfassend eine Lichtquelle und einen Detektor.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gerät zur Steuerung eines
erfindungsgemäßen Systems zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten umfassend eine Lichtquelle und einen Detektor. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Gerät zur Steuerung eines Systems zum optischen
Nachweis von Flüssigkeiten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Gerät zur Steuerung des Systems die Lichtquelle seitlich im Bezug auf die erste Schicht und der Detektor seitlich im Bezug auf die zweite Schicht angeordnet ist.
Besondere Vorteile des Systems zum Nachweis von Flüssigkeiten sind, dass keine örtliche Festlegung des Messpunktes durch das Gerät erfolgt. Somit werden unterschiedliche Designvarianten für ein Gerät verfügbar. Die Anzahl der Messpunkte wird nur durch die Auflösung des Detektors limitiert, was bedeutet, dass mit heutigen CCD Modulen (Charge Coupled Device = CCD) keine
Begrenzung für reale mikrofluidische Systeme besteht.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Flüssigkeitsdetektion, dadurch gekennzeichnet, dass ein System zum optischen Nachweis von
Flüssigkeiten verwendet wird, wobei die mikrofluidische Struktur in der ersten Schicht mit einem ersten Medium befüllt ist, das einen Brechungsindex hat, bei dem die Bedingungen für Totalreflexion in ersten Schicht erfüllt sind und wobei dann die mikrofluidische Struktur mit einem zweiten Medium befüllt wird und wobei sich der Brechungsindex im Messbereich aufgrund des ankommenden zweiten Mediums ändert, so dass die Bedingungen für die Totalreflexion nicht mehr erfüllt sind und der Lichtstrahl in die zweite Schicht geleitet wird und diese Ablenkung des Lichtstrahls mit dem Detektor gemessen wird und dadurch bestimmt wird, wenn die Flüssigkeitsfront den Messbereich erreicht hat. Gegenstand der Erfindung ist eine optische Weiche zum Lenken eines
Lichtstrahls umfassend eine Lichtquelle, einen Detektor und zwei
zusammenhängende Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und die zweite Schicht im Wesentlichen optisch getrennt sind und nur im Bereich der Weiche optisch gekoppelt sind und wobei sich im Bereich der Weiche mindestens eine mikrofluidische Struktur zum Durchleiten von Flüssigkeiten befindet und wobei in der ersten Schicht ein Lichtstrahl eingekoppelt werden kann und wobei die zweite Schicht für den eingekoppelten Lichtstrahl ebenfalls transparent ist. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Lenken eines Lichtstrahls, wobei die mikrofluidische Struktur einer erfindungsgemäßen optischen Weiche mit einem ersten Medium befüllt ist, dass einen Brechungsindex hat, bei dem Totalreflexion in der ersten Schicht vorliegt und wobei dann die mikrofluidische Struktur mit einem zweiten Medium befüllt wird, wobei das zweite Medium einen Brechungsindex hat bei dem die Bedingungen für Totalreflexion in der ersten
Schicht nicht mehr gegeben sind und dadurch der Lichtstrahl an Stelle in die zweite Schicht geleitet wird, an der ersten Schicht und der zweiten Schicht optisch gekoppelt sind und der Lichtstahl dadurch seine Ausbreitungsrichtung ändert.
Das Einlegeteil umfasst mindestens zwei zusammenhängende Schichten 1 und 2. Das Einlegeteil kann weitere Schichten umfassen. Bei dem Einlegeteil kann es sich um einen Mehrschichtaufbau mit beispielsweise 2 bis 20 oder mehr
Schichten handeln.
Die erste Schicht und die zweite Schicht sind für den eingekoppelten Lichtstrahl transparent. Die erste Schicht und die zweite Schicht können aus dem gleichen Material bestehen. Die Materialien für die erste Schicht und die zweite Schicht werden beispielsweise ausgewählt aus Polykarbonat, Polypropylen oder Glas. Die optische Trennung (optische Trennschicht) kann beispielsweise aus gefärbtem Polykarbonat (PC), gefärbtem Polypropylen (PP) oder gefärbtem Glas bestehen. In der ersten Schicht wird durch eine Lichtquelle ein Lichtstrahl eingekoppelt. Als
Lichtquelle werden beispielsweise verwendet Glühlampen, LEDs oder
Laserdioden. Das Licht hat beispielsweise eine Wellenlänge im Bereich IR, des sichtbaren Lichts oder UV. Geeignet ist beispielsweise Licht mit einer
Wellenlänge zwischen 200 und 1200 nm. Die Einkopplung des Lichts erfolgt beispielsweise durch mechanischen Kontakt der Lichtquelle mit dem
Linsensystem beziehungsweise dem Einlegeteil.
Der eingekoppelte Lichtstrahl wird durch totale interne Reflektion (TIR)
(Totalreflexion) in der ersten Schicht gehalten wird. Die Totalreflexion ist ein besonders bei Licht beobachtbares Wellenphänomen. Sie tritt an der
Grenzfläche zweier transparenter Medien (beispielsweise Wasser-Luft) auf. Im Falle von Licht, dass unterhalb eines kritischen Reflexionswinkels eintritt, wird dieses hierbei an der Grenzfläche nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert, das heißt, ins Ausgangsmedium zurückgeworfen, obwohl die
Grenzfläche nicht beschichtet ist. Totalreflexion tritt an den äußeren Rändern von der ersten Schicht auf. Im Randbereich zu der zweiten Schicht tritt ebenfalls Totalreflexion auf, aber auch im Messbereich. Außerhalb des Messbereichs sind die erste Schicht und die zweite Schicht optisch getrennt, so dass das auftreffende Licht absorbiert werden kann, oder total reflektiert wird. Der in der ersten Schicht eingekoppelte Lichtstrahl kann deshalb nicht an einer beliebigen
Stelle von der ersten Schicht in die zweite Schicht gelangen. Die optische Trennung kann beispielsweise erreicht werden durch Einfärbung der optischen Trennung oder durch eine Metallbeschichtung. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind im Messbereich optisch gekoppelt, d.h. unter geeigneten Bedingungen kann der in der ersten Schicht eingekoppelte Lichtstrahl im Messbereich von der ersten Schicht in die zweite Schicht geleitet werden. In einem Zustand des Systems findet trotz der optischen Kopplung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht keinen Übergang des Lichtstrahls statt. Dieser Zustand ist beispielsweise der Ausgangszustand. Die
Totalreflexion im Messbereich wird dadurch erreicht, dass das Medium im Messbereich einen geeigneten Brechungsindex n1 mit n1 < n3 hat und der Lichtstrahl dadurch in der ersten Schicht gehalten wird. Dabei ist n3 der
Brechungsindex des Mediums und n1 der Brechungsindex von beispielsweise Luft und n3 größer n1. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Medium im Messbereich Luft oder ein Gas, beispielsweise ein Schutzgas oder Vakuum (mit n1 = 1). Ein Beispiel für Bedingungen für den Übergang von der ersten Schicht in die zweite Schicht im Messbereich kann beispielsweise den Zeichnungen entnommen werden. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Medium im Messbereich im Ausgangszustand bereits eine Flüssigkeit, die dann durch eine andere Flüssigkeit ersetzt werden kann.
Im Messbereich befindet sich mindestens eine mikrofluidische Struktur. Die mikrofluidische Struktur kann beispielsweise ein Kanal sein. In einer besonderen Ausführungsform ist die Form des Kanals eckig, beispielsweise quadratisch oder eckig und für das Einstellen des kritischen Winkels abgeschrägt. In einer
Ausführungsform der Erfindung ist die mikrofluidische Struktur ein gerader Kanal.
Der Messbereich hat die Form der mikrofluidischen Struktur, die mikrofluidische Struktur ist der Messbereich. Ist die mikrofluidische Struktur ein Kanal, dann hat der Messbereich die Form des Kanals. Der Messbereich kann die Gestalt einer
Linie haben. Der Messbereich ist beispielsweise 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 Mikrometer lang. Der Messbereich hat im Querschnitt beispielsweise die Form eines Kreises, Ovals, Rechtecks oder Quadrats. Der Messbereich kann an unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche Form und/oder einen unterschiedlichen Durchmesser haben. Der Messbereich hat beispielsweise einen Durchmesser von 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 Mikrometern. In einer anderen besonderen Ausführungsform ist die gesamte mikrofluidische Struktur der Messbereich. Zum Nachweis von Flüssigkeiten, genauer Flüssigkeitsständen, werden neben dem Einlegeteil eine Lichtquelle und ein Detektor benötigt. Die Lichtquelle kann mit den zusammenhängenden Schichten direkt verbunden sein. Die Lichtquelle kann auch nur neben die zusammenhängenden Schichten gestellt werden. Die Lichtquelle kann Bestandteil eines Geräts zur Steuerung des Systems sein. Die Lichtquelle muss in jedem Fall so angeordnet beziehungsweise konstruiert sein, dass Lichtstrahlen nur in der ersten Schicht, nicht aber in der zweiten Schicht einkoppeln. Als Lichtquellen eignen sich beispielsweise Glühlampen, LED oder Laserdioden.
Der Detektor kann mit den zusammenhängenden Schichten direkt verbunden sein. Der Detektor kann auch nur neben die zusammenhängenden Schichten gestellt werden. Der Detektor kann Bestandteil eines Geräts zur Steuerung des Systems sein. Der Detektor muss in jedem Fall so angeordnet beziehungsweise konstruiert sein, dass er nur Lichtstrahlen in der zweiten Schicht, nicht aber in der ersten Schicht detektiert. Der Nachweis erfolgt beispielsweise durch
ortsaufgelöste Transmissionsmessung. Als Detektor eignet sich beispielsweise
CCD Module (Charge Coupled Device = CCD) oder Photodioden.
Die einzelnen Bestandteile nämlich Einlegeteil, Detektor und Lichtquelle können unabhängig von einander bereitgestellt und beispielsweise erst kurz vor oder bei der Messung zusammengesetzt werden. Ein Gerät zur Steuerung und Aufnahme des Einlegeteils kann die Lichtquelle und den Detektor enthalten. Das Einlegeteil kann dann ausgewechselt werden. Das Einlegeteil kann ein Einwegartikel oder ein mehrfach verwendbareres Teil sein. Der Aufbau bestehend aus einem Gerät zur Steuerung des Einlegeteils und dem Einlegeteil ist flexibel, da
unterschiedliche Einlegeteile mit unterschiedlichen Designs in einem Gerät zum
Einsatz kommen können. Die hier vorgestellte Erfindung stellt somit eine flexible Lösung dar, da nur eine Lichtquelle und ein Detektor vorteilhaft seitlich an das Bauteil kontaktiert werden und somit die örtliche Festlegung des Messpunktes beziehungsweise der Messpunkte beziehungsweise des Messbereichs nicht durch das Gerät limitiert beziehungsweise von vorne herein festgelegt ist.
Der Aufbau besteht aus zwei zusammenhängenden Schichten, die nur an der Messstelle optisch gekoppelt sind ansonsten durch eine Hilfsschicht optisch getrennt sind. In der ersten Schicht wird ein Lichtstrahl so eingekoppelt, dass er in dieser Schicht über Totalreflexion gefangen ist. Der Strahlengang ist durch den kritischen Winkel zwischen Umgebungsmedium und Schichtenmaterial definiert. In der ersten Schicht sind die erwähnten Kanalstrukturen für Fluide enthalten, die mit der Messstelle übereinstimmen müssen. Die zweite Schicht ist optisch für den in der ersten Schicht eingekoppelten Lichtstrahl ebenfalls transparent. Wenn das Medium im Kanal bzw. an der Messstelle eine Brechzahl
beispielsweise von Luft hat, wird der Strahl in der ersten Schicht gehalten. Ändert sich die Brechzahl aufgrund eines ankommenden Mediums wird die
Totalreflexionsbedingung nicht mehr erfüllt und der Strahl wird in die zweite Schicht geleitet. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die zweite Schicht einen Brechungsindex besitzt, der den Strahl in der zweiten Schicht durch
Totalreflexion gefangen hält, beispielsweise wenn für die erste Schicht und die zweite Schicht das gleiche Material verwendet wird. Dann sind auch die
Brechungsindices der Schichten gleich (n (Schicht (1)) = n (Schicht (2))).
Mit der Erfindung wird ein in einem Medium eingekoppelter Lichtstrahl von einer ersten optischen Schicht in eine zweite Schicht geleitet sobald sich der
Brechungsindex n3 im Messbereich aufgrund von Medienänderung erhöht. Die zwei optischen Schichten sind voneinander optisch getrennt. Beispielsweise wenn ein Übergang von Luft zu Wasser stattfindet, ändert sich der
Brechungsindex von 1 (Luft) nach 1 ,33 (Brechungsindex Wasser) und der kritische Wnkel (der kritische Winkel von Luft liegt bei ungefähr 33°; der kritische Winkel von Wasser liegt bei ungefähr 57°).
Das System zum Nachweis von Flüssigkeiten ermöglicht eine genaue
Flüssigkeitsdosierung die für viele Anwendungen essentiell ist. Mit dem erfindungsgemäßen System ist ein Tracking von Flüssigkeiten möglich und erzeugt ein Signal über den detektierten Lichtstrahl, wenn eine Flüssigkeitsfront einen diskreten Streckenabschnitt in einem mikrofluidischen System befüllt hat. Das System zum Nachweis von Flüssigkeiten kann zur Analyse beispielsweise für diagnostische Anwendungen eingesetzt werden. Das System kann immer dann angewendet werden, wenn Flüssigkeiten durch Kanäle geleitet, zueinander geführt oder getrennt werden. Dabei sind die im auswechselbaren Einlegeteil integrierten Kanäle vorzugsweise im Ausgangszustand evakuiert
beziehungsweise mit Schutzgas oder im einfachsten Falle mit Luft gefüllt. Das System zum Nachweis von Flüssigkeiten kann beispielsweise in Lab-on-a-chip Anwendungen eingesetzt werden. Das System kann zum Nachweis von Blasen in Flüssigkeiten eingesetzt werden. Das Prinzip kann als optische Weiche eingesetzt werden. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Systems zum optischen
Nachweis von Flüssigkeiten (Seitenansicht);
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Systems zum optischen
Nachweis von Flüssigkeiten mit Strahlengang ohne totale interner
Reflektion (TIR);
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Systems zum optischen
Nachweis von Flüssigkeiten mit Strahlengang mit TIR und Absorption durch die optische Trennung;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Systems zum optischen
Nachweis von Flüssigkeiten mit Strahlengang mit TIR und ohne Signal am Detektor;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines Systems zum optischen
Nachweis von Flüssigkeiten mit Strahlengang mit TIR und Signal am Detektor;
Fig. 6 Schrägansicht eines Systems zum optischen Nachweis von
Flüssigkeiten.
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des optischen Systems zum Nachweis von Flüssigkeiten mit einer ersten Schicht 1 , einer zweiten Schicht 2, einem
Messbereich 3, einer optischen Trennung 4, einer Lichtquelle 5 und einem Detektor 6.
Beispielsweise kann als Schichtenmaterial Polykarbonat mit n3=1.58 verwendet werden. Ist das Umgebungsmedium Luft mit einem Brechungsindex n1=1 , dann liegt der Totalreflexionswinkel Theta bei 39,8°. Die Abmessungen für typische Messbereiche (Kanaldimension) liegen im Bereich einiger 10 bis 500 μηι.
Der in Figur 1 dargestellte Aufbau kann beispielsweise ein Lab-on-a-Chip Analysesystem sein. Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des optischen Systems mit dem
Strahlengang eines in der ersten Schicht 1 eingekoppelten Lichtstrahls ohne totale interne Reflektion (TIR) 7.
Figur 3 zeigt einen Verlauf 8 eines Strahlengangs eines in die erste Schicht 1 eingekoppelten Lichtstrahls im optischen System bei totaler interner Reflektion des Lichtstrahls in der ersten Schicht 1 und anschließender Absorption des Lichtstrahls an der optischen Trennung 4.
Figur 4 zeigt einen Verlauf 9 eines Strahlengangs eines in der ersten Schicht 1 eingekoppelten Lichtstrahls im optischen System bei totaler interner Reflektion und ohne Absorption an der optischen Trennung 4. Beispielsweise befindet sich außerhalb des optischen Systems (als Umgebungsmedium) und im Messbereich 3 Luft (n1 (Luft); n2 (PC); n3 (Medium)). Der Lichtstrahl wird in der ersten Schicht 1 reflektiert und kein Signal am Detektor empfangen.
Figur 5 zeigt einen Verlauf 9 eines Strahlengangs eines in der ersten Schicht 1 eingekoppelten Lichtstrahls im optischen System bei totaler interner Reflektion und ohne Absorption an der optischen Trennung 4. Figur 5 zeigt den Vorgang des Schaltens zwischen erster und zweiter Schicht 1 , 2. Bei einem
Detektionsereignis (Befüllung) ändert sich der Strahlengang Verlauf 9 in den Verlauf 10. Beispielsweise gilt für die Brechungsindizes: n1 (z.B: Luft) <n2 (z.B. PC) </=n3 (Medium); n4.
Figur 6 zeigt beispielhaft ein System zur Steuerung eines optischen Systems mit Lichtquelle 5 und Detektor 6. Die Anordnung des Detektors 6 kann auch auf derselben Seite wie die Anordnung der Lichtquelle 5 erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten umfassend ein
Einlegeteil mit zwei zusammenhängenden Schichten (1 , 2), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1) und die zweite Schicht (2) im Wesentlichen optisch getrennt sind (4) und nur im Messbereich (3) optisch gekoppelt sind, wobei sich im Messbereich (3) mindestens eine
mikrofluidische Struktur zum Durchleiten von Flüssigkeiten befindet, wobei in der ersten Schicht (1) ein Lichtstrahl einkoppelbar ist und wobei die zweite Schicht (2) für den eingekoppelten Lichtstrahl transparent ist.
2. System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1) und die zweite Schicht (2) durch eine Hilfsschicht optisch getrennt sind (4).
3. System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach einem der
Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Struktur ein Kanal ist.
4. System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eingekoppelte Lichtstrahl in der ersten Schicht (1) durch totale interne Reflektion (TIR) gehalten wird.
5. System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in der mikrofluidischen Struktur im Messbereich (3) einen Brechungsindex mit n1 < n3 hat, wobei n3 der Brechungsindex des Mediums und n1 der
Brechungsindex von Luft ist, und der Lichtstrahl dadurch in der ersten Schicht (1) gehalten wird.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium eine Flüssigkeit ist.
7. System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach einem der
Ansprüche 1 bis 6 umfassend eine Lichtquelle (5) und einen Detektor (6).
8. Verfahren zur Flüssigkeitsdetektion, dadurch gekennzeichnet, dass ein
System zum optischen Nachweis von Flüssigkeiten nach einem der
Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird, wobei die mikrofluidische Struktur in der ersten Schicht (1) mit einem ersten Medium befüllt ist, das einen
Brechungsindex hat, bei dem die Bedingungen für Totalreflexion in der ersten Schicht (1) erfüllt sind und wobei dann die mikrofluidische Struktur mit einem zweiten Medium befüllt wird und wobei sich der Brechungsindex im Messbereich (3) aufgrund des ankommenden zweiten Mediums ändert, so dass die Bedingungen für die Totalreflexion nicht mehr erfüllt sind und der Lichtstrahl in die zweite Schicht (2) geleitet wird und diese Ablenkung des Lichtstrahls mit dem Detektor (6) gemessen wird und dadurch bestimmt wird, wenn die Flüssigkeitsfront den Messbereich (3) erreicht hat.
9. Optische Weiche zum Lenken eines Lichtstrahls umfassend eine Lichtquelle (5), einen Detektor (6) und zwei zusammenhängende Schichten (1 , 2), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1) und die zweite Schicht (2) im wesentlichen optisch getrennt sind (4) und nur im Bereich der Weiche optisch gekoppelt sind und wobei sich im Bereich der Weiche mindestens eine mikrofluidische Struktur zum Durchleiten von Flüssigkeiten befindet und wobei in der ersten Schicht (1) ein Lichtstrahl eingekoppelt werden kann und wobei die zweite Schicht (2) für den eingekoppelten Lichtstrahl ebenfalls transparent ist.
10. Verfahren zum Lenken eine Lichtstrahls, wobei die mikrofluidische Struktur einer optischen Weiche nach Anspruch 9 mit einem ersten Medium befüllt ist, dass einen Brechungsindex hat, bei dem Totalreflexion in der ersten Schicht (1) vorliegt und wobei dann die mikrofluidische Struktur mit einem zweiten Medium befüllt wird, wobei Medium 2 einen Brechungsindex hat bei dem die Bedingungen für Totalreflexion in der ersten Schicht (1) nicht mehr gegeben sind und dadurch der Lichtstrahl an einer Stelle in die zweite Schicht (2) geleitet wird, an der ersten Schicht (1) und der zweiten Schicht (2) optisch gekoppelt sind und der Lichtstahl dadurch seine Ausbreitungsrichtung ändert.
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