WO2016066156A2 - Mobile photometrische messvorrichtung und verfahren zur mobilen photometrischen messung an mikrotitierplatten - Google Patents

Mobile photometrische messvorrichtung und verfahren zur mobilen photometrischen messung an mikrotitierplatten Download PDF

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WO2016066156A2
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Yousef Nazirizadeh
Martina Gerken
Philipp Metz
Torben KARROCK
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Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel
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Definitions

  • the invention relates to a mobile photometric measuring device which provides a simple, compact construction as a measuring device, which can be moved freely to at least one sample.
  • the inventive mobile photometric measuring device is in particular arranged side by side in a flat manner and thus provides an arbitrarily geometrically configurable measuring station or a measuring device for parallel
  • each individual sample of a microtiter plate is a separate, compact detection module, consisting of a light source, in particular one
  • LED Light emitting diode
  • detector e.g. a photodiode (PD)
  • optics with integrated filter characteristics or optics and at least one filter according to the independent claims.
  • the microtiter plate has a transparent bottom preferably with a grid sensor and can therefore be easily integrated into the optics
  • the mobile photometric measuring device can be moved to the location of the sample, e.g. in field measurements or under fume hoods, thus increasing the risk that the parameters of the sample will change, e.g. by a movement of the sample, pressure change, humidity change and / or
  • the invention further relates to a mobile photometric measuring method for photometric, in particular marker-free, measurement by means of grating sensors, which can be easily performed with such a mobile photometric measuring device having only one light source and one detector per sample and with the method to a spectral analysis of the grid - Sensors can do without.
  • the classical devices which are also referred to as readers for microtiter plates, work on the basis of a transmitted-light measuring section into which the organic substance to be determined, as a single sample, is brought between a light source and a photodetector and is examined.
  • EP 1 027 591 B1 shows a reader for microtiter plates or
  • Substance chips with a detector array, a lens array and with a telescope and field lens and a lighting unit. This allows parallel measurements of all samples of a microtiter plate.
  • the respective sample is detected chemically by means of fluorescent markers or with electrical sensors, such as electrochemical sensors, quartz crystal microbalance sensors, surface resonance sensors, optical spectrometric methods or by devices that the specific optical absorption of
  • inventive mobile photometric measuring device are applicable, is comprehensively embodied in DE 10 2010 005 859 B3 of the Applicant.
  • a filter bank, a photonic crystal and an optical receiver for evaluating the transmitted signal is introduced in the device. It is of course, that such known measuring methods can also find application to the inventive mobile photometric measuring device.
  • a common method of marker-free measurement by means of grating sensors is the recording of the resonance shift.
  • a spectrometer is usually used to obtain a spectrum of transmission or reflection of the sensor.
  • a mathematical "fit" is placed over the measurement.
  • Another method is to change the resonance shift into a
  • the resonance is brought to the spectral edge of the light source and a resonance shift is converted into a change in intensity.
  • microtiter plates are used, which are so widely used and used in various microbiological work processes, e.g. for cellular or biochemical experiments.
  • Typical fields of application are cell breeding or screening of technical applications
  • microtiter plates are suitable for the cultivation and testing of large
  • the filling of the microtiter plates is done manually usually with
  • Multi-channel pipettes in high throughput mostly with pipetting robots.
  • the predominantly flat, rectangular-shaped microtiter plates are usually made of plastics, for example polystyrene, polyvinyl chloride) or of glass. They contain many mutually insulated, varying in height wells, which are arranged in rows and columns to the surface vertically aligned, side by side.
  • Grating sensors also called photonic crystals, consist of a planar waveguide structure with a periodic nanostructure.
  • Nanostructure can be periodic in one dimension, a so-called linear lattice or in several dimensions as so-called
  • lattice sensors have waveguide modes can couple through the lattice to far-field modes and can be analyzed by transmission or reflection measurements.
  • the modes appear in the measurement as a sharp resonance in the spectrum.
  • Three parameters define the mode, the central wavelength, the spectral width and the intensity of the mode.
  • This phenomenon is used to perform marker-free bioanalyses using the inventive method.
  • a refractive index change is made on the surface of the grating sensor caused e.g. by cellular reactions to substances or by binding of molecules to the surface.
  • the prior art aims at the resonance shift and records either directly by means of spectrometer or convert it at the spectral edge of the light source into a change in intensity.
  • the inventive method uses the intrinsic intensity change of the resonance for the determination of the refractive index change at the
  • Fingerprint which must be examined and analyzed by photometric measurement. This requires an exact knowledge of the resonance, which can be reproduced as a process step.
  • a disadvantage of the known devices is the complex technical structure of the measurement mimic and the optics.
  • the object of the invention is to provide a device and a method that manages with a simple measurement setup, no additional equipment needed, provides a safely evaluable signal, ensures a stable measurement setup, allows an on-site measurement on the sample, a simple fast
  • the inventive device is a mobile photometric measuring device with at least one measuring module, consisting of a light source, a detector and an optical framework with an optical system with integrated filter properties or optics and at least one filter, said components on a board, in a housing and / or a block are arranged interconnected.
  • the inventive method according to claim 7 is a mobile photometric measuring device with at least one measuring module, consisting of a light source, a detector and an optical framework with an optical system with integrated filter properties or optics and at least one filter, said components on a board, in a housing and / or a block are arranged interconnected.
  • the inventive method according to claim 7 is a mobile photometric measuring device with at least one measuring module, consisting of a light source, a detector and an optical framework with an optical system with integrated filter properties or optics and at least one filter, said components on a board, in a housing and / or a block are arranged interconnected.
  • the inventive method according to claim 7 is a mobile photometric measuring device with at least
  • Photometric measuring method on microtiter plates with grating sensors in particular with a mobile photometric measuring device, with the following steps:
  • Fig. 1 is a sectional view of a section of the inventive mobile
  • FIG. 4 shows two examples of a measuring setup for the inventive method of a photometric marker-free measurement.
  • Fig. 1 is a sectional view of a section of the inventive mobile photometric measuring device with an applied sample, here a Mikrotitierplatte 8 shown.
  • a measuring module 1 consisting of a light source 2, here a light emitting diode (LED), a detector 3, here a photodiode (PD), and an optical framework 4 with an optic 5, here a ball lens with a filter 6, here one
  • the known microtiter plate 8 has on the transparent bottom of a sensor, here a grid sensor 9.
  • the point light of the light source 2 is first parallelized by the optics 5 and the sensor, here the grid sensor. 9 below microtiter plate 8, or the liquid directed within the bowl.
  • the light reflected by the sensor or emitted by the fluorescent liquid is then also focused by an optic 5 onto the detector 3.
  • a filter 6, here polarizing filter or color or interference filter is used, which in
  • the mobile device compactly in at most two or three component levels.
  • a first level are all electrical / electronic components, such as the respective light sources 2 (LED) and the detectors 3 (PD, CCD, camera sensor) in pairs, and required evaluation units, in particular for
  • Signal processing, interface units, data storage unit and / or communication units connected to each other or built on a circuit board 7 and integrated in a housing or in a module or a circuit board 7.
  • the further processing and measured value analysis both directly on site as well as temporally or spatially offset is freely selectable.
  • the evaluation units allow complete automation in the evaluation as well as only the
  • a same optics 5 can be used for the respective light source 2 and the corresponding detector 3.
  • the optical framework 4 can also already be embodied as part of the circuit board 7 or a component which already has all the electrical / electronic components integrated, so that the optics 5 can also be designed as part of the first plane. This then also applies to the filter or filters 6, if this / these are already integrated into the optic 5 / are or is applied to the highly integrated component / are.
  • the number of measuring modules 1 can be adapted as desired to the format or the geometry of the microtiter plate 8, since, due to the compact design per cup, a separate measuring module 1, e.g. on a circuit board 7 or in a block or housing, in the desired grid is feasible.
  • Measuring device on smartphone-type devices is replaced by a
  • the resonance behavior can be divided into two categories. If the waveguide and thus the grating sensor 9 are such that the mode is fully pronounced, the case illustrated in the left-hand part of FIG. 2 applies. In this case, an increase in refractive index leads to a redshift and an intensity reduction of the resonance. If the mode is not fully developed by the geometry and the materials of the waveguide, an increase in refractive index also leads to a redshift, but in addition to an increase in the intensity of the resonance, as shown in Fig. 2 in the right figure.
  • FIG. 3 shows in an example the mode dispersion relation of a grid sensor 9. Resonances are observed throughout the diagram, which are fully pronounced. Only in the area marked by a white circle can a resonance be observed, which is fully pronounced only at a higher angle. To make this peculiarity useful for the inventive method, only one light source 2 and one detector 3 is required, such as provided by the inventive mobile device. Both components must be selected so that the emitted light of the light source 2 and the spectral sensitivity match the central wavelength of the resonance. If, for example, a monochromatic and thus spectrally limited LED is used, only one resonance can be excited and thus examined.
  • a device with light source 2 and photodetector is shown, which can be used for the method to illustrate the procedure.
  • a device with beam splitter 10 is shown in a reflection structure.
  • a device without beam splitter 10 is shown in a reflection structure.
  • a polarization filter can additionally be placed in the beam path. For this purpose, either two crossed
  • Polarizing filter or a circular polarizing filter can be used.
  • the method described here can be combined with other methods.
  • the spectral edge of a light source 2 can be used to convert the resonance shift in addition to a change in intensity, which coincides with the intrinsic intensity change, and to amplify the signal change.
  • an imaging element such as a camera sensor can be used as the detector 3.
  • the grid sensor surface can be imaged and, for example, the refractive index change of individual cells can be observed.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mobile photometrische Messvorrichtung mit: mindestens einem Messmodul, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Detektor und einem Optikgerüst mit einer Optik mit integrierten Filtereigenschaften oder einer Optik und mindestens einem Filter, wobei diese Komponenten auf einer Platine, in einem Gehäuse und/oder einem Baustein verschaltet angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein mobiles photometrisches Messverfahren an Mikrotitierplatten mit Gittersensoren.

Description

B E S C H R E I B U N G
Mobile photometrische Messvorrichtung und Verfahren zur mobilen photometrischen Messung an Mikrotitierplatten
Die Erfindung betrifft eine mobile photometrische Messvorrichtung, die einen einfachen, kompakten Aufbau als Messeinrichtung bereitstellt, der frei an mindestens eine Probe heranführbar ist.
Die erfinderische mobile photometrische Messvorrichtung wird insbesondere flächig nebeneinander angeordnet und stellt damit einen beliebig geometrisch konfigurierbaren Messplatz bzw. eine Messeinrichtung für parallele
photometrische Messungen an mehreren Proben z.B. einer Mikrotitierplatte bereit.
Dabei ist für jede einzelne Probe einer Mikrotitierplatte ein eigenes, kompaktes Detektionsmodul, bestehend aus einer Lichtquelle, insbesondere einer
Leuchtdiode (LED), einem Detektor, z.B. einer Photodiode (PD), und einer Optik mit integrierten Filtereigenschaften oder einer Optik und mindestens einem Filter, nach den unabhängigen Ansprüchen, vorgesehen.
Die Mikrotitierplatte verfügt über einen transparenten Boden vorzugsweise mit einem Gittersensor und kann damit einfach auf die Optik mit integrierten
Filtereigenschaften oder den Filter der Optik der erfinderischen mobilen photometrische Messvorrichtung gelegt werden.
Damit kann die mobile photometrische Messvorrichtung an den Ort der Probe, z.B. bei Feldmessungen oder unter Abzugshauben, bewegt werden, womit sich die Gefahr, dass die Parameter der Probe sich verändern, z.B. durch eine Bewegung der Probe, Druckänderung, Feuchteänderung und/oder
Temperaturänderung der Umgebung o.ä., minimieren oder ausschließen lässt. Auch ist eine Erstellung der Probe in einem Napf oder einer Mikrotitierplatte möglich, die sich bereits auf der mobilen Vorrichtung in einer frei wählbaren Umgebung befindet. Dies ist z.B. für Messungen unter Quarantänebedingungen, in denen in der Regel kein Labor vor Ort zur Verfügung steht, einrichtbar. Weiter betrifft die Erfindung ein mobiles photometrisches Messverfahren zur photometrischen, insbesondere markerfreien, Messung mittels Gittersensoren, die mit einer derartigen mobilen photometrische Messvorrichtung einfach durchgeführt werden können, die lediglich eine Lichtquelle und einen Detektor pro Probe aufweist und mit dem Verfahren auf eine spektrale Analyse des Gitter- Sensors verzichten kann.
Die klassischen Geräte, die auch als Reader für Mikrotitierplatten bezeichnet werden, arbeiten auf der Grundlage einer Durchlichtmessstrecke in die die zu bestimmende organische/biologische Substanz, als einzelne Probe, zwischen eine Lichtquelle und einen Photodetektor gebracht wird und untersucht wird. Die EP 1 027 591 B1 zeigt einen Reader für Mikrotitierplatten oder
Substanzchips mit einem Detektorarray, einem Linsenarray und mit einer Teleskop- und Feldlinse und einer Beleuchtungseinheit. Damit sind parallele Messungen aller Proben einer Mikrotitierplatte möglich.
Zum Nachweis von Substanzen wird die jeweilige Probe chemisch mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern detektiert oder mit elektrischen Sensoren, wie zum Beispiel mit elektrochemischen Sensoren, Quarzkristall-Mikrobalance-Sensoren, Oberflächenresonanz-Sensoren, mittels optischer Spektrometerverfahren oder durch Vorrichtungen, die die spezifische optische Absorption von zu
analysierenden Komponenten ausnutzen, analysiert. Der bekannte Stand der Technik der Messverfahren, die auch auf die
erfinderische mobile photometrische Messvorrichtung anwendbar sind, ist in der DE 10 2010 005 859 B3 der Anmelderin umfassend ausgeführt. Dabei ist in der Vorrichtung eine Filterbank, ein photonischer Kristall sowie ein optischer Empfänger zur Auswertung des transmittieren Signals eingebracht. Es ist selbstverständlich, dass derartige bekannte Messmethoden auch Anwendung auf die erfinderische mobile photometrische Messvorrichtung finden können.
Eine gängige Methode der markerfreien Messtechnik mittels Gitter-Sensoren ist das Aufzeichnen der Resonanzverschiebung. Hierfür wird üblicherweise ein Spektrometer eingesetzt, um ein Spektrum der Transmission oder Reflektion des Sensors zu erhalten. Um dann die zentrale Wellenlänge der Resonanz zu bestimmen, wird mathematisch ein„fit" über die Messung gelegt.
Eine weitere Methode besteht darin, die Resonanzverschiebung in eine
Intensitätsänderung umzuwandeln. Hierfür wird die Resonanz an die spektrale Flanke der Lichtquelle gebracht und eine Resonanzverschiebung wird in eine Intensitätsänderung umgewandelt.
Der Nachweis biologischer Substanzen wie zum Beispiel DNS, Antigenen, Enzymen oder Bakterien gewinnt in der täglichen Laborarbeit und auf einigen wissenschaftlichen Gebieten durch derartige Messverfahren zunehmend an Bedeutung. Dabei kommen überwiegend Mikrotitierplatten zum Einsatz, die damit weit verbreitet sind und in verschiedenen mikrobiologischen Arbeitsprozessen, z.B. für zelluläre oder biochemische Experimente, eingesetzt werden. Typische Einsatzbereiche sind die Zellzüchtung oder das Screening technischer
Bioreaktionen. Durch die große Anzahl der Kavitäten und der Verwendung gleicher Typen eignen sich Mikrotiterplatten für die Kultivierung und Testung großer
Probenmengen.
Die Befüllung der Mikrotitierplatten geschieht manuell üblicherweise mit
Mehrkanalpipetten, im Hochdurchsatz meistens mit Pipettier-Robotern. Die überwiegend flächigen, rechteckig geformten Mikrotiterplatten bestehen meist aus Kunststoffen, z.B. Polystyrol, Polyvinylchlorid) oder aus Glas. Sie enthalten viele jeweils voneinander isolierte in der Höhe variierende Näpfe, die in Reihen und Spalten zur Fläche senkrecht ausgerichtet, nebeneinander angeordnet sind.
Die genauen Abmessungen (Länge* Breitex Höhe) betragen gemäß ANSI- Standard 127,76 mmx85,48 mmx 14,35 mm. Dabei weist die gleiche Grundfläche derzeit Formate folgenden Typs auf, die in variabler Höhe bezogen werden können:
Sechs Näpfe in zwei Reihen und drei Spalten mit Füllvolumen zwischen 2-5 ml; Zwölf Näpfe in drei Reihen und vier Spalten mit Füllvolumen zwischen 2-4 ml; 24 Näpfe in vier Reihen und sechs Spalten mit Füllvolumen zwischen 0,5-3 ml; 48 Näpfe in sechs Reihen und acht Spalten mit Füllvolumen zwischen 0,5-1 ,5 ml; 96 Näpfe in acht Reihen und zwölf Spalten mit Füllvolumen zwischen 0,1-0,3 ml; 384 Näpfe in 16 Reihen und 24 Spalten mit Füllvolumen zwischen 0,03-0,1 ml; 1536 Näpfe in 32 Reihen und 48 Spalten mit Füllvolumen von 0,01 ml. Die Näpfe sind in verschiedenen Formen verfügbar: als F-Boden oder
Flachboden, als C-Boden oder Flachboden mit minimal abgerundeten Ecken, als V-Boden mit konisch zulaufendem Boden und als U-Boden mit U-förmigen Vertiefungen.
Viele Anwendungen mit diesen Mikrotiterplatten basieren auf dem
photometrischen Messprinzip, wie z.B. markerfreie Technologien mit
Gittersensoren oder Dünnschichtsensoren, Fluoreszenzmessungen oder Absorptionsmessungen.
Gitter-Sensoren, auch photonische Kristalle genannt, bestehen aus einer planaren Wellenleiterstruktur mit einer periodischen Nanostruktur. Diese
Nanostruktur kann sowohl in einer Dimension periodisch sein, ein sogenanntes lineares Gitter oder in mehreren Dimensionen als sogenanntes
quadratisches/trianguläres Gitter. Das Besondere an Gitter-Sensoren ist, dass ihre Wellenleitermoden durch das Gitter an Fernfeldmoden koppeln können und durch Transmissions- oder Reflektionsmessungen analysiert werden können. Die Moden erscheinen in der Messung als eine scharfe Resonanz im Spektrum. Drei Kenngrößen definieren hierbei die Mode, die zentrale Wellenlänge, die spektrale Breite und die Intensität der Mode.
Diese Kenngrößen stehen in starker Abhängigkeit zu den geometrischen und materiellen Eigenschaften des Wellenleiters, wie z.B. dem Brechungsindex des Wellenleiters und seiner Umgebung.
Dieses Phänomen wird genutzt um mit dem erfinderischen Verfahren markerfreie Bioanalysen durchzuführen. Dabei wird eine Brechungsindexänderung an der Oberfläche des Gitter-Sensors, hervorgerufen z.B. durch zelluläre Reaktionen auf Substanzen oder durch Anbinden von Molekülen an die Oberfläche, detektiert.
Der Stand der Technik zielt auf die Resonanzverschiebung ab und zeichnet diese entweder direkt mittels Spektrometer auf oder wandeln sie an der spektralen Flanke der Lichtquelle in eine Intensitätsänderung um.
Das erfinderische Verfahren nutzt die intrinsische Intensitätsänderung der Resonanz für die Bestimmung der Brechungsindexänderung an der
Sensoroberfläche. Dabei wird ausgenutzt, dass jede Probe per se eine individuelle Eigenart aufweist, vergleichbar mit der eines menschlichen
Fingerabdrucks, die es durch die photometrische Messung zu untersuchen und zu analysieren gilt. Dafür ist eine genaue Kenntnis der Resonanz notwendig, die als Verfahrensschritt abbildbar ist.
Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen ist der komplexe technische Aufbau der Messmimik und der Optik.
Weiter ist im Einzelfall für jeden Messvorgang eine neue Justierung oder Kalibrierung der bekannten Vorrichtungen erforderlich, die bei der erfinderischen Vorrichtung entfallen kann.
Ein weiterer Mangel wird darin gesehen, dass die bekannten Geräte nur in Laboren stationär einsetzbar sind und damit die Probe immer zur Vorrichtung bewegt werden muss, was bei der erfinderischen Vorrichtung entfallen kann. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das mit einem einfachen Messaufbau auskommt, keine Zusatzgeräte benötigt, ein sicher auswertbares Signal liefert, einen stabilen Messaufbau gewährleistet, eine vor-Ort Messung an der Probe ermöglicht, eine einfache schnelle
Kalibrierung und Justierung ermöglicht und sehr kostengünstig ist.
Weiter ist es Aufgabe eine parallele Messung der Proben, auch
Mehrfachmessung zu ermöglichen. Dabei können im Raster auch gezielt, frei definierbare Probengruppen gemessen und ausgewertet werden, womit neben statistischen Messungen auch Validierungen schnell und einfach durchführbar sind.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtungen und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Hauptanspruch ist eine mobile photometrische Messvorrichtung mit mindestens einem Messmodul, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Detektor und einem Optikgerüst mit einer Optik mit integrierten Filtereigenschaften oder einer Optik und mindestens einem Filter, wobei diese Komponenten auf einer Platine, in einem Gehäuse und/oder einem Baustein verschaltet angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 7 ist ein mobiles
photometrisches Messverfahren an Mikrotitierplatten mit Gittersensoren, insbesondere mit einer mobilen photometrischen Messvorrichtung, mit den Schritten:
Auswahl eines Gitter-Sensors in Abhängigkeit von einem
Resonanzverhalten von Wellenmoden,
Auswertung der intrinsischen Intensitätsänderung des Resonanzverhaltens, Bestimmung einer Brechungsindexänderung am Gitter-Sensor.
Zur Erläuterung und Veranschaulichung wird die Erfindung im Folgenden anhand von Figuren dargestellt, die keine Einschränkung auf die Ausführungen und Gestaltungen darstellen. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schnittbild eines Ausschnitts der erfinderische mobilen
photometrische Messvorrichtung mit einer aufgelegten Mikrotitierplatte mit Gitter-Sensor im transparenten Boden der Mikrotitierplatte; die Wellenlängenverschiebung und Intensitätsänderung der Resonanz bei Brechungsindexänderungen. Linke und rechte Abbildung zeigen beide Szenarien für vollständig und unvollständig ausgeprägte
Moden;
Fig. 3 die Modendispersionsrelation am Beispiel eines Gitter-Sensors. Im kreisförmig gekennzeichneten Bereich ist eine nicht vollständig ausgeprägte Mode zu sehen und
Fig. 4 zwei Beispiele für einen Messaufbau für das erfinderische Verfahren einer photometrischen markerfreien Messung.
In Fig. 1 ist ein Schnittbild eines Ausschnitts der erfinderischen mobilen photometrische Messvorrichtung mit aufgelegter Probe, hier einer Mikrotitierplatte 8 gezeigt. Im unteren Teil der Figur ist die erfinderische mobile Vorrichtung, mit einem Messmodul 1 , bestehend aus einer Lichtquelle 2, hier eine Leuchtdiode (LED), einem Detektor 3, hier einer Photodiode (PD), und einem Optikgerüst 4 mit einer Optik 5, hier einer Kugellinse mit einem Filter 6, hier einem
Polarisationsfilter gezeigt.
Damit der Zugang zu der Mikrotiterplatte 8 von oben nicht blockiert ist, befindet sich sämtliche Bauteile des Messmoduls 1 unterhalb der Mikrotiterplatte 8.
Die bekannte Mikrotitierplatte 8 weist am transparenten Boden einen Sensor, hier einen Gitter-Sensor 9 auf. Das punktförmige Licht der Lichtquelle 2 wird zunächst durch die Optik 5 parallelisiert und auf den Sensor, hier den Gitter-Sensor 9 unterhalb Mikrotitierplatte 8, oder die Flüssigkeit innerhalb des Napfes gelenkt. Das durch den Sensor reflektierte oder durch die fluoreszierende Flüssigkeit emittierte Licht wird dann ebenfalls durch eine Optik 5 auf den Detektor 3 fokussiert. Um das direkte Licht der Lichtquelle 2, welches nicht mit dem Sensor oder der Flüssigkeit interagiert hat, zu unterdrücken, wird ein Filter 6, hier Polarisationsfilter oder Färb- oder Interferenzfilter verwendet, der im
Strahlengang platziert ist.
Aus produktionstechnischer Sicht ist es vorteilhaft die mobile Vorrichtung kompakt in höchstens zwei oder drei Bauteilebenen aufzubauen. In einer ersten Ebene sind alle elektrischen/elektronischen Bauteile, wie die jeweiligen Lichtquellen 2 (LED) und die Detektoren 3 (PD, CCD, Kamerasensor) paarweise, sowie erforderliche Auswerteeinheiten, insbesondere zur
Signalverarbeitung, Schnittstelleneinheiten, Datenspeichereinheit und/oder Kommunikationseinheiten miteinander verbunden oder auf einer Platine 7 aufgebaut und in einem Gehäuse oder in einem Baustein oder einer Platine 7 integriert.
Dabei ist eine Programmierung von Messungen, Messgruppen, sowie
Messserien über die Schnittstelleneinheiten, sowie ein Datenaustausch mit Speicherung vor Ort und/oder in externen Auswerteeinheiten frei wählbar. Die Weiterverarbeitung und Messwertanalyse sowohl direkt vor Ort als auch zeitlich oder räumlich versetzt ist frei wählbar. Über die Auswerteeinheiten sind sowohl vollständige Automatismen in der Auswertung möglich als auch nur die
Programmierung von selektiven Teilschritten in der Auswertung, die zudem zeitlich steuerbar sind. Auf einer weiteren Ebene wird das Optiksystem realisiert. Hierbei werden die
Optik 5, hier Linsen, z.B. Kugellinsen in ein Optikgerüst 4 eingesetzt. Kugellinsen eigen sich dabei besonders, da sie mit ihrer sehr kurzen Brennweite und ihrer Kugelsymmetrie besonders gut für eine selbstjustierende Bauweise geeignet sind. Für die jeweilige Lichtquelle 2 und den korrespondierenden Detektor 3 kann eine gleiche Optik 5 verwendet werden. Als dritte Ebene bzw. zweite Ebene wird der Filter 6 im Strahlengang platziert.
Dabei kann das Optikgerüst 4 aber auch bereits als Teil der Platine 7 oder eine Bausteins ausgeführt werden, der alle elektrischen/elektronischen Bauteile bereits integriert aufweist , so dass auch die Optik 5 als Teil der ersten Ebene ausgeführt werden kann. Dies gilt dann auch für den oder die Filter 6, wenn dieser/diese bereits in die Optik 5 integrierbar ist/sind bzw. auf das hoch integrierte Bauteil aufgetragen wird/werden.
Die Anzahl der Messmodule 1 kann beliebig an das Format bzw. die Geometrie der Mikrotiterplatte 8 angepasst werden, da durch die kompakte Bauweise pro Napf jeweils ein separates Messmodul 1 z.B. auf einer Platine 7 oder in einem Baustein oder Gehäuse, im gewünschten Raster realisierbar ist.
Eine Übertragung von Funktionalitäten der mobilen photometrische
Messvorrichtung auf smartphone-artige Vorrichtungen wird durch eine
Anpassung der Gehäuse und Sensorik ermöglicht. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann das Resonanzverhalten in zwei Kategorien unterteilt werden. Ist der Wellenleiter und somit der Gitter-Sensor 9 so beschaffen, dass die Mode vollständig ausgeprägt ist, gilt der im linken Teil der Fig. 2 dargestellte Fall. Dabei führt eine Brechungsindexerhöhung zu einer Rotverschiebung und einer Intensitätsverringerung der Resonanz. Ist die Mode durch die Geometrie und die Materialien des Wellenleiters nicht vollständig ausgeprägt, führt eine Brechungsindexerhöhung ebenfalls zu einer Rotverschiebung, aber zusätzlich auch zu einer Intensitätserhöhung der Resonanz, wie in Fig. 2 in der rechten Abbildung gezeigt.
In Fig. 3 ist in einem Beispiel die Modendispersionsrelation eines Gitter-Sensors 9 gezeigt. Im gesamten Diagramm sind Resonanzen zu beobachten, welche vollständig ausgeprägt sind. Nur im durch einen weißen Kreis gekennzeichneten Bereich ist eine Resonanz zu beobachten, welcher erst bei höherem Wnkel vollständig ausgeprägt ist. Um diese Eigenart für das erfinderische Verfahren nutzbar zu machen, bedarf es nur einer Lichtquelle 2 und eines Detektors 3, wie beispielsweise durch die erfinderische mobile Vorrichtung bereitgestellt. Beide Bauteile müssen dafür so ausgewählt werden, dass das emittierte Licht der Lichtquelle 2 respektive die spektrale Empfindlichkeit mit der zentralen Wellenlänge der Resonanz übereinstimmen. Wird z.B. eine einfarbige und somit spektral eingeschränkte LED genutzt, kann hierbei nur eine Resonanz angeregt und somit untersucht werden.
In Fig. 4 wird beispielsweise eine derartige Vorrichtung mit Lichtquelle 2 und Photodetektor gezeigt, die für das Verfahren eingesetzt werden kann, um die Vorgehensweise zu verdeutlichen. In der linken Abbildung ist eine Vorrichtung mit Strahlteiler 10 in einem Reflektionsaufbau gezeigt. In der rechten Abbildung ist eine Vorrichtung ohne Strahlteiler 10 in einem Reflektionsaufbau gezeigt.
Um das Licht der Lichtquelle 2, das nicht mit dem Gitter-Sensor 9 interagiert und nicht zum Signal beiträgt, zu filtern, kann zusätzlich ein Polarisationsfilter im Strahlengang platziert werden. Hierfür können entweder zwei gekreuzte
Polarisationsfilter oder ein zirkularer Polarisationsfilter eingesetzt werden.
Um eine Signalverstärkung zu erreichen kann die hier beschriebene Methode mit anderen Methoden kombiniert werden. So kann z.B. die spektrale Flanke einer Lichtquelle 2 genutzt werden, um die Resonanzverschiebung zusätzlich in eine Intensitätsänderung, die mit der intrinsischen Intensitätsänderung übereinstimmt, zu wandeln und die Signaländerung zu verstärken.
Als Detektor 3 kann hierbei alternativ auch ein bildgebendes Element wie z.B. ein Kamerasensor benutzt werden. So kann die Gitter-Sensor-Oberfläche abgebildet werden und z.B. die Brechungsindexänderung einzelner Zellen beobachtet werden. B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
Messmodul
Lichtquelle
Detektor
Optikgerüst
Optik
Filter
Platine
Mikroti tierplatte
Gitter-Sensor
Strahlteiler
Napf
geführte Mode

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Mobile photometrische Messvorrichtung mit:
- mindestens einem Messmodul (1),
bestehend aus
- einer Lichtquelle (2),
- einem Detektor (3) und
- einem Optikgerüst (4) mit
- einer Optik (5) mit integrierten Filtereigenschaften
oder
- einer Optik (5) und mindestens einem Filter (6),
wobei diese Komponenten auf einer Platine (7), in einem Gehäuse und/oder einem Baustein verschaltet angeordnet sind.
Mobile photometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei Messmodule (1) auf der Platine (7), in dem Gehäuse und/oder dem Baustein verschaltet angeordnet sind.
Mobile photometrische Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Optikgerüst (4) Ausnehmungen aufweist, in die die Optik (5),
insbesondere Linsen, bevorzugt Kugellinsen, einsetzbar sind.
Mobile photometrische Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Platine (7), in dem Gehäuse und/oder auf oder in dem Baustein zumindest eine Auswerteeinheit und/oder zumindest eine
Schnittstelleneinheit und/oder zumindest eine Datenspeichereinheit und/oder zumindest eine Kommunikationseinheit integrierbar ist. Mobile photometrische Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Lichtquelle (2) eine Leuchtdiode (LED) und/oder der jeweilige Detektor (3) eine Photodiode (PD) ist.
Mobile photometrische Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine geometrische, bevorzugt flächige, rasterartige Anordnung der Messmodule (1) an eine Geometrie von Mikrotitierplatten (8) anpassbar ist.
Mobiles photometrisches Messverfahren an Mikrotitierplatten (8) mit Gittersensoren (9), insbesondere mit einer mobilen photometrischen Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit den Schritten:
Auswahl eines Gitter-Sensors (9) in Abhängigkeit von einem
Resonanzverhalten von Wellenmoden
Auswertung der intrinsischen Intensitätsänderung des
Resonanzverhaltens
Bestimmung einer Brechungsindexänderung am Gitter-Sensor (9).
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