PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10210436A1 02.10.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien spektroskopischen Bestimmung von Analytkonzentrationen
Anmelder Licht, Michael, Dipl.-Ing. (FH), 51588 Nümbrecht, DE
Erfinder Licht, Michael, Dipl.-Ing. (FH), 51588 Nümbrecht, DE
DE-Anmeldedatum 09.03.2002
DE-Aktenzeichen 10210436
Offenlegungstag 02.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse G01N 21/31
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien spektroskopischen Bestimmung von Analytkonzentrationen mittels Faraday-Spektroskopie, welches zugleich einen geringen Kalibrierungsaufwand kombiniert mit hoher Messgenauigkeit aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien, spektroskopischen Bestimmung von Analytkonzentrationen mittels Farraday-Spektroskopie, welches zugleich einen geringen Kalibrierungsaufwand kombiniert mit hoher Messgenauigkeit aufweist.

Technischer Hintergrund der Erfindung

Molekülspezifische Absorptionen im Spektrum des Lichtes können zur quantitativen Analyse von Inhaltsstoffen genutzt werden.

Beispielsweise offenbart die DE-A-692 27 545 ein Analyseverfahren unter Messungen des diffusen Reflektionsgrades einzelner Frequenzbereiche. Das mittels einer Faseroptik eingestrahlte Lieht wird, je nach verwendeter Wellenlänge und Probe, nach kurzen Distanzen bereits diffus reflektiert. Das reflektierte Licht wird dann mit der gleichen oder weiteren Fasern wie in DE-A-42 42 083, DE-A-44 15 728, DE-A-43 37 570 und DE-A-199 34 038 beschrieben gesammelt.

Die DE-A-43 37 570 offenbart eine Anordnung, die durch Bestimmung der Lichtlaufzeit ermittelt, in welcher Tiefe der Probe das Licht reflektiert wurde. Diese zusätzliche Information ist bei inhomogenen Proben wie z. B. der menschlichen Haut wertvoll, um ein differenzierteres Bild über die Konzentrationsverteilung einzelner Analyte zu gewinnen. Eine Durchleuchtung (Transmisson) ist, wie in WO-A-01/01852 dargelegt, für eine IR-Absorptionsbestimmung von Glucose in der Menschlichen Haut nicht möglich, weil es dafür keine hinreichend dünne Körperstelle gibt. Die magnetooptische Drehung der Polarisationsebene von polarisiertem Lieht in der Wechselwirkungen mit den Molekülen einer Probe kann genutzt werden, um Mischungen von z. B. Kohlenwasserstoffen zu analysieren (E. Hecht "Optik" Addison-Wesley, 1989). In diesen Faraday-Effekt-Spektrometern wird die Probe normalerweise durchleuchtet (Transmissionsspektrometer), wobei die Lichtweglänge innerhalb der Probe, wie in JP-A-2000111585 und JP-A-63266323 beschrieben, konstant und definiert ist.

Der Vergleich der beobachteten Absorption mit Absorptionen an Proben bekannter Konzentration erlaubt gemäß EP-A-94915814, EP-A-91906149, EP-A-552300 und DE-A-199 63 561 Rückschlüsse auf deren Analytkonzentration.

Zu Ungenauigkeiten in der Konzentrationsermittlung kommt es meist durch Veränderungen der Messbedingungen. Solche Veränderungen sind ursächlich auf die Messanordnung z. B. Absorptlonenänderung der Silberhalogenidfasern oder Fenster der Spektroskope als auch auf Änderung der Proben selbst zurückzuführen. Dies betrifft insbesondere Proben, die eine inhomogene Oberfläche aufweisen. Beispielsweise konnte bei der Bestimmung des pH-Wertes auf der menschlichen Haut beobachtet werden, dass selbst bei Verwendung der gleichen Messstelle nach einigen Wochen, anhand der vormals gewonnenen Kalibrierdaten keine reproduzierbare Messung möglich war. Dies ist durch spektrale Veränderungen infolge der Veränderung der biologischen Matrix zu erklären.

In vielen Anwendungsfällen ist auch ein direkter Kontakt von Teilen des Analysengerätes und der Probe unerwünscht. Dies kann sowohl hygienische Gründe haben, wie bei lebensmitteltechnischen oder medizinischen Anwendungen, als auch auf Sicherheitsaspekten beruhen, wie bei der Qualitätskontrolle von Chemikalien. Zudem ist die zerstörungs- und/oder kontaktfreie Bestimmung von Analytkonzentrationen für zahlreiche Produktionsprozesse von großer Bedeutung.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen mit deren Hilfe eine zerstörungsfreie spektroskopische Bestimmung von Analytkonzentrationen möglich ist und welches zugleich einen geringen Kalibrierungsaufwand kombiniert mit hoher Messgenauigkeit aufweist.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt einen rotationssymmetrischen U-Magneten. In einem Pol 1 des Magneten befinden sich mehrere Öffnungen, die eine Faseroptik aufnehmen können.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Pol 1 beinhaltet die lichtleitende Faser 5, die das Licht in die Probe einstrahlt und die Kondensorlinse (Halbkugellinse) 6, die das von der Probe reflektierte/gestreute Streulicht sammelt und in die Lichtleitfaser 7 einkoppelt.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Messanordnung, umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Lichtquelle 8 strahlt das Licht in eine lichtleitende Faser 9 ein. Ein erster Polarisator 10 mit einer elektrooptischen Zelle stellt das eingestrahlte Licht auf eine definierte Polarisationsebene ein, welches anschließend durch die Lichtleitfaser 11 zur Probe geleitet wird. Vom erfindungsgemäßen Probenkopf 12 wird das von der Probe reflektierte Licht mittels der lichtleitenden Faser 13 zu einem zweiten Polarisator 14 geleitet und von dort über eine weitere lichtleitende Faser 15 in das Diodenzeilenspektrometer 16 weitergeleitet. Die Messdaten werden abschließend einer elektronischen Auswertung 17 zugeführt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der auf die Probe einwirkenden Magnetfeldstärke a. Die durch den Faraday-Effekt erzielte Drehung der Polarisationsebene (Phasenverschiebung) des Lichtes in der Probe wurde mit b und ein Beispiel für die Modulierung des eingestrahlten Lichtes innerhalb der Probe mit Hilfe der elektrooptischen Zelle 11 wurde mit c gekennzeichnet.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Kalibrierstreifens mit zwei Kalibrierfenstern 18, einem Messfenster 19 und einer selbstklebenden Matrix 20.

Fig. 6 zeigt eine weitere mögliche Messanordnung, umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Lichtquelle 8 strahlt das Licht gebündelt durch einen Ellipsoid in eine Kondensorlinse 24. Im Brewster- Winkel angeordnete Fenster 21 polarisieren das eingestrahlte Licht. Die Polarisationsebenen des Lichtes wird mit einer elektrooptischen Zelle definiert verändert. Dieses so modulierte Licht gelangt durch eine Aussparung, eines Elektromagneten, des erfindungsgemäßen Probenkopfes 12, auf die Probe 23. Das reflektierte/gestreute Licht gelangt wiederum durch im Brewster-Winkel angeordnete Fenster in einen Detektor mit elektronischer Auswertung 17.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur spektroskopischen Konzentrationsbestimmung von Analyten in einer Probe, umfassend die Schritte

  • a) Einstrahlung von polarisierter elektromagnetischer Strahlung in die Probe;
  • b) Änderung der Polarisationsrichtung der eingestrahlten polarisierten Strahlung mittels eines in die Probe eingebrachten magnetischen Feldes;
  • c) Reflexion/Streuung der Strahlung innerhalb der Probe;
  • d) Änderung der Polarisationsrichtung der reflektierten/gestreuten polarisierten Strahlung mittels eines in die Probe eingebrachten magnetischen Feldes;
  • e) Sammeln der reflektierten/gestreuten Strahlung außerhalb der Probe;
  • f) Messung der Absorption der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von deren jeweiligem Polarisationswinkel;
  • g) Korrelation der für die jeweiligen Polarisationswinkel gemessenen Absorptionen mit der Analytkonzentration der Probe.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung 12 zur spektroskopischen Konzentrationsbestimmung, umfassend einen Magneten, eine optische Einrichtung zur Einstrahlung und zum Ableiten der von der Probe reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung, wobei die optische Einrichtung so angeordnet ist das die Einstrahlung in den Probenbereich erfolgt welche mit Hilfe des Magneten mit einen magnetischen Feld überlagert wurde.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Kalibrierungsstreifen, umfassend

  • a) einen polymeren Träger und/oder
  • b) eine Matrix;
  • c) eine oder mehrere Aussparungen der Matrix (ii) die eine oder verschiedene Konzentrationen des Kalibrieranalyten, Referenzindikatoren, Feuchthaltemittel und/oder Puffersubstanzen gelöst in der Matrix (ii) enthält und als Kalibrierfenster 18 dienen kann;
  • d) eine oder mehrere Aussparungen der Matrix (ii) die eine oder verschiedene Konzentrationen der Referenzindikatoren, Feuchthaltemittel und/oder Puffersubstanzen gelöst in der Matrix (ii) enthalten und als Messfenster 19 dienen kann;

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorrichtungen sind insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zu analysierende Probe in ein Magnetfeld eingebracht. Ein solches Magnetfeld kann ein Gradientfeld, und/oder ein homogenes Magnetfeld sein, welches durch einen oder mehrere Permanent-, Supraleitende-, Hybrid- und/oder Elektromagnete 1 erzeugt werden kann. Dem Fachmann sind die technischen Vorraussetzungen zur Erzeugung dieser Magnetfelder beispielsweise durch "J. Physique, Colloque C1, Suppl. No 1 Band 45 (1984)" bekannt. Bevorzugt wird durch einen regelbaren Stromfluss in der Spule eines Elektromagneten 1 ein Magnetfeld generiert. Der Magnet 1 kann einen Spalt aufweisen, der die Probe aufnimmt. In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Magneten um einen rotationssymmetrischen U-Magneten 1 welcher an beliebig große Proben herangeführt werden kann.

Die mit Hilfe solch eines Magneten erzeugten Magnetfeldlinien sind mindestens bis zur Probeneindringtiefe des Lichtes, bezogen auf die Probenoberfläche in einem Winkel von vorzugsweise 1° bis 90°, besonders bevorzugt 88°-90° ausgerichtet.

Bei Verwendung von permanent- oder supraleitenden Magneten besteht zusätzlich die Möglichkeit, die auf die Probe einwirkende magnetische Feldstärke, beispielsweise durch mechanische Entkoppelung, zu variieren. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird die senkrecht zur Probenoberfläche einwirkende Magnetfeldstärke durch den Winkel der Magnetfeldlinien bezogen auf die Probenoberfläche variiert. Dieses kann bei permanent- oder supraleitenden Magneten durch mechanischer Drehung des Magneten relativ zur Probe erreicht werden.

Relativ zum erzeugten Magnetfeld sind ein oder mehrere lichtleitende, monomode-, polarisationserhaltende-Fasern, 5, 7, bevorzugt Multimode- Fasern, angebracht.

Diese Fasern 5, 7 enden an einer der Probe zugewandten Seite der Messzelle. Vorzugsweise sind die Fasernenden 5, 7 am Ort der größten magnetischen Feldstärke angeordnet die in die Probe weist. Der Magnet 1 kann dazu eine Öffnung 3 aufweisen in welcher die Fasern 5, 7 eingelassen werden.

Die elektromagnetische Strahlung wird aus der Faser 5 bevorzugt in Richtung der magnetischen Feldlinien (longitudinal zum Magnetfeld) in die Probe eingestrahlt und reflektiertes/gestreutes Licht von der Faser 7 aufgenommen und aus dem Probenkopf 12 abgeleitet.

Der Begriff "Licht" soll nicht auf den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt sein, sondern erfasst auch andere Wellenlängenbereiche solcher Strahlung. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann elektromagnetische Strahlung mit einen Wellenlängenbereich von 200 nm bis 40000 nm, vorzugsweise 400 nm bis 15000 nm, besonders bevorzugt 450 nm bis 11000 nm verwendet werden. Es versteht sich dabei von selbst, dass die Wellenlängen so zu wählen sind, dass durch die Bestrahlung keine Schädigung der Probe erfolgt. Darüber hinaus ist bei der Auswahl der Bauteile der Messanordnung und des Probenkopfes 12 der verwendete Wellenlängenbereich zu berücksichtigen. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses wird bevorzugt das Licht an der Lichtquelle durch einen "Chopper" zerhackt.

Diese Art der Rauschunterdrückung ist dem Fachmann beispielsweise durch T. Coor, J. Chem. Educ., (1968), 45 T. C. O' Haver, J. Chem. Educ., (1972), 49 oder H. V. Malmstadt, C. G. Enke, S. R. Crouch "Electronics ans Instrumentation for Scientists" Benjamin/Cummings, Menlo Park CA/USA (1981) bekannt.

In einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung in dem der zu analysierende Probenteil mit der Messstelle im wärmeleitenden Kontakt steht, wird bevorzugt die Messstelle temperiert um diese auf eine oder mehrere definierte Temperaturen einzustellen. Auch hier versteht sich von selbst, dass die Temperatur so zu wählen ist, dass durch die Wärmeübertragung keine Schädigung der Probe erfolgt. Die Temperaturmessung der Probe und oder Messstelle erfolgt bevorzugt mittels Thermoelement/en wie KTY-, PT1000, NTC-Widerstände, besonders bevorzugt PT100. Geeignete Temperiermittel sind Peltierelemente, Heizkartuschen, Heizschellen und bevorzugt Heizmatten. Bei der Temperierung auf nur eine Temperatur (beispielsweise 40°C für die Analyse der Menschlichen Haut) wird bevorzugt eine PTC-Element- Heizung (Vertrieb RS Components GmbH; D-64546 Mörfelden-Walldorf) verwendet.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Messstelle mit dem analytisch interessierten Probenteil nicht in Kontakt und die Temperatur kann berührungslos durch zusätzliche Temperaturmesser (Vertrieb RS Components GmbH; D-64546 Mörfelden-Walldorf) oder mit dem unten beschriebenen Auswerteverfahren durch das für die Temperatur spezifische Absorptionsspektrum der Probe selbst erfolgen.

Bevorzugt werden mehrere Fasern 5, 7 zum Einstrahlen und Aufnehmen (Sammeln) des Lichtes verwendet. Bei der Verwendung von nur einer Faser wird das Licht in diese mit Hilfe von einem Strahlteiler ein- bzw. ausgekoppelt. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind an beiden Polen (1 und 2) des Elektromagneten einstrahlende und aufnehmende Faserenden 5, 7 angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind an einem Pol des Magneten sowohl die einstrahlenden als auch die aufnehmenden Faserenden angebracht. Bevorzugt ist das lichtaufnehmende Faserende zur Probe mit einer lichteinkoppelnden Linse versehen. Geeignete Linsen sind Asphären-, Achromate-, Gradientenindex- Plankonvex- und Bikonvexlinsen besonders bevorzugt sind dabei Halbkugellinsen (beispielsweise Vertrieben durch Edmund Industrie Optik GmbH D-76229 Karlsruhe). Diese erleichtert das Einkoppeln des Lichtes in die Faser.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Lieht bevorzugt vor und nach dem Einstrahlen polarisiert. Die Polarisation kann durch Reflexion, Folien-, Faser- oder Kristall-Polarisatoren 11, durch ein Gitter und/oder durch ein oder mehrere Zellen erfolgen. Geeignete Zellen sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Faraday-, Kerr-, Pockels- und fotoelastischen Zellen oder nematischen Flüssigkristalleinrichtungen.

Der Unterschied zwischen den Zellen liegt im wesentlichen nur in der Art, wie die Doppelbrechung induziert wird. Flüssigkristalle funktionieren so, dass ihre Struktur in Abhängigkeit von einem angelegten, relativ schwachen äußeren elektrischen Feld differiert. Die Doppelbrechung von fotoelastischen Zellen beruht auf mechanisch induzierten Spannungen, die üblicherweise mittels eines piezo-elektrischen Elementes erzeugt werden. Sowohl Kerr- als auch Pockels-Zellen funktionieren nach ähnlichen Prinzipien. Bei diesen wird, mittels eines angelegten elektrischen Feldes, die optische Anisotropie der kristallinen Struktur beeinträchtigt. Der Unterschied zwischen beiden liegt darin, dass bei dem Kerr-Effekt eine quadratische Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke gegeben ist, während der Pockels-Effekt linear von der Feldstärke abhängt.

Erfindungsgemäß ist einer Anordnung der Vorzug zu gewähren, bei welcher das Licht, vor dem Eintritt in die Probe, mit einer elektrooptischen Zelle, umfassend einer Pockelszelle und einem vorgeschalteten Kristall-Polarisator polarisiert wird (beispielsweise angeboten durch die Firma Linos Photonics GmbH; D-37081 Göttingen). In einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung wird polarisiertes Laserlicht mit Hilfe der Zelle moduliert, so das ein vorherige Polarisation des Lichtes mit Hilfe eines Kristall-Polarisators entfallen kann.

Innerhalb der Probe wird das Licht durch das in die Probe eingebrachte Magnetfeld, infolge des Faraday-Effektes, in eine andere Polarisationsrichtung gedreht. In gleicher Drehrichtung wird auch das zurückgestreute bzw. reflektierte Licht gedreht.

Das Ausmaß der Drehung der Polarisationsebene (Polarisationswinkel) hängt dabei von der Länge der innerhalb der Probe zurückgelegten Wegstrecke ab die in Richtung des angelegtem Magnetischen Feldes verläuft. Bei einem genau senkrecht zur Probenoberfläche ausgerichtetem Magnetfeld also von der Eindringtiefe des Lichtes in die Probe, falls keine Mehrfachreflektionen vorliegen.

Dringt beispielsweise linear polarisiertes Licht in eine wässrige Probe mit einem longitudinal angelegten Magnetfeld der Feldstärke von 2 Tesla ein, so beträgt der Drehwinkel der Polarisationsebene in einer Eindringtiefe von 0.5 mm 0,22° Grad. Wird das Licht in dieser Tiefe reflektiert und legt innerhalb der Probe weitere 0,5 mm in umgekehrter Richtung zurückt tritt dieses Lieht mit einen Drehwinkel der Polarisationsebene von 0,44° Grad wieder aus der Probe aus.

Je tiefer das Licht, bei angelegtem Magnetfeld, in die Probe eindringt und je höher der Wassergehalt in der Probe ist je größer ist auch der spezifische Polarisationswinkel des reflektierten Lichtes. Dies hat zur Folge, dass dem aus der Probe austretenden Licht, anhand seines Polarisationswinkels, eine bestimmte Eindringtiefe zugemessen werden kann.

In der bevorzugten Ausgestaltung wird die Magnetfeldstärke, die auf die Probe mit einer Frequenz von 0 bis 1 GHz vorzugsweise von 0.01 bis 200 Hz, besonders bevorzugt von 22 bis 55 Hz einwirkt moduliert. Die eingebrachte Modulationsfunktion kann sinus-, trapez-, rechteckförmig bevorzugt stufenförmig sein.

Mit Hilfe der Zelle/n 10 kann die Polarisationsebene des eingestrahlten Lichtes wahlweise eingestellt/vorgewählt werden. Diese Polarisationsebenenmodulation der Zelle hat bevorzug eine größere Frequenz als die der modulierten Magnetfeldstärke.

In der bevorzugten Ausgestaltung wird die Polarisationsebene in der Zelle mit einer Frequenz von 0 bis 1 GHz vorzugsweise von 0.01 Hz bis 20 kHz, besonders bevorzugt von 44 Hz bis 10 kHz moduliert. Die modulierte Polarisationsebene der Zelle erstreckt sich bevorzugt nicht über den gesamten Polarisationswinkel von +-180° (Ohne Drehung der Polarisationsebene durch das auf die Probe einwirkende Magnetfeld und ohne optisch aktiven Substanzen in der Probe, führt bei einer einfachen Reflektion des Lichtes in der Probe ein eingestellter Polarisationswinkel von 90° in der Zelle relativ zu der Polarisationsebene des zweiten Polarisators zu einer Auslöschung des Lichtes). Bevorzugt werden abhängig von dem zu bestimmenden Analyten und der Wellenlänge einzelne Teilbereiche z. B. 0°-0.5°, 1°-1.5°, 87°-90° eingestellt. Es können auch mehrere Teilbereiche alternierend eingestellte werden. In einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung sind zur Reduzierung der benötigten elektrischen Spannung für die elektrooptische Zelle mehrere hintereinander angeordneten Zellen (optisch in Serie geschaltet) realisierbar (beispielsweise angeboten durch die Firma Linos Photonics GmbH; D-37081 Göttingen).

Die Auswahl des Polarisationswinkels ermöglicht bei Proben ohne optisch aktive Bestandteile aber mit magnetischen Dipolmoment, auf die ein senkrecht auf die Probenoberfläche eingebrachtes Magnetfeld einwirkt, die gezielte Analyse des reflektierten Lichts aus verschiedenen Probentiefen.

Der Modulationszeitraum der Zelle erstreckt sich bevorzugt nicht über die gesamte Halbwelle der magnetooptischen Drehung der Polarisationsebene in der Probe sondern nur über einzelne Teilbereiche wie z. B. die maximale und minimale Magnetfeldstärke. Es können auch mehrere Teilbereiche alternierend eingestellte werden. Diese Teilbereiche können ebenso durch den Auslesezeitraum des Detektors festgelegt werden.

Durch diese Auswahl ist es z. B. möglich, die durch das Magnetfeld in ein oder mehreren gewählten Polarisationsebenen veränderte Absorption der Probe gegenüber der Absorption ohne das Magnetfeld zu detektieren.

Optisch aktive Substanzen ohne magnetischen Dipolmoment, wie z. B. Glucose, werden durch das sich verändernde Magnetfeld nicht beeinflusst und können damit leichter von möglichen anderen Probenbestandteilen unterschieden werden.

Besitzt beispielsweise in einer wässrigen homogenen Glucoselösung der eingestrahlte Lichtstahl die gleiche optische Weglänge wie der aus der Lösung reflektierte Strahl so stellt sich bei ausgeschalteten Magnetfeld keine Drehung der Polarisationsebene ein. Ist der eingestrahlte oder reflektierte Lichtstrahl optisch länger so tritt, bei geeigneter Wellenlänge des Lichtes, eine Drehung der Polarisationsebene nach links oder rechts auf. Wird, wie bevorzugt, eine Lichtquelle ohne oder nur mit sehr kleiner Kohärenz verwendet, wie beispielsweise das Licht einer Wolframlampe, Nernst-Stift, Leuchtdiode oder Globar so tritt links und rechts polarisiertes Licht aus der Probe. Die auftretenden Drehungen der Polarisationsebenen nach links und rechts ist um so größer, je höher die Glucosekonzentration und je größer die Eindringtiefe des Lichtes ist. Diese Abhängigkeit kann solange beobachtet werden wie die einstrahlende und lichtaufnehmende Optik des Messkopfes größer dimensioniert ist als die Eindringtiefe des Lichtes der gewünschten Wellenlänge in der Probe.

Wird nun das Magnetfeld senkrecht zur Probenoberfläche an die Probe angelegt, so addiert sich, je nach Eindringtiefe des Lichtstahls in die Probe, der Polarisationswinkel des Wassers zu dem der optisch aktiven Substanz.

Die Eindringtiefe des Lichtes in die Probe ist, durch Vergleich der Drehung der Polarisationsebene, mit und ohne angelegtem Magnetfeld, bestimmbar.

Die Glucosekonzentration lässt sich auf diese Weise, in Kenntnis der Eindringtiefe des Lichtes, z. B. durch die mittlere linke und/oder rechte Drehung der Polarisationsebene, ermitteln.

Eine weitere, verbesserte Möglichkeit, beispielsweise die Blutglucosekonzentration in inhomogenen Proben wie der Menschlichen Haut zu analysieren, eröffnet sich erfindungsgemäß durch den rechnerischen Vergleich zwischen den polarisationsbezogenen Absorptionsspektren mit und ohne angelegtem Magnetfeld.

Zunächst müssen dazu, anhand von Vergleichsspektren mit ähnlichen Proben bekannter Glucosekonzentration mit Hilfe der weiter unten beschriebenen Auswerteverfahren, die spezifische konzentrationsabhängige Absorption der Glucose und die spezifische Absorption von Blutbestandteilen ermittelt werden. Dann werden in einem oder mehreren Wellenlängenbereich, in dem ausschließlich die Blutbestandteile eine erhöhte Absorption aufweisen und wie Glucose in wässrigen Lösungen vorliegen (beispielsweise oxidgeniertes Hämoglobin bei 390-420 nm und 520-550 nm), hinsichtlich der Drehung des Polarisationswinkels mit und ohne angelegtem Magnetfeld miteinander verglichen. Dabei zeigt sich, dass die charakteristische Absorption von Blutbestandteilen in dem aus der Haut austretendem Licht erst oberhalb eines tiefenabhängigen, magnetfeldbedingten Drehwinkels der Polarisationsebene auftritt, da in der Regel das Stratum Corneum und ein Großteil der Epidermis nicht mit Kapillargefäßen durchzogen sind. Werden ein oder mehrere Wellenlängenbereiche in den Glucose eine charakteristische Absorption zeigt, beispielsweise zwischen 1430-1500 nm und 1600-1850 nm ab den gleichen wellenlängenangepassten, magnetfeldbedingten Drehwinkeln der Polarisationsebene analysiert, so entsprechen die so gefundenen Glucosekonzentrationen eher dem des durchblutetem Gewebes. Die Glucosekonzentration, die sich aus der charakteristischen Absorption des nicht durchblutetem oberen Hautsegment ergibt, kann zur weiteren Eingrenzung der Blutglucosekonzentration herangezogen werden, die hierzu verwendbaren Analyse- und Berechnungsverfahren sind dem Fachmann aus L. Küpper, H. M. Heise, L. N. Butvina "Novel developments in mid-IR fiber-optic spectroscopy for analytical applications Journal of Molecular Structure; als auch H. M. Heise "Glucose, In Vivo Assay of" Encyclopedia of Analytical Chemistry (2000) bekannt.

Bei guter Auflösung des magnetisch beeinflussten Polarisationswinkels und niedrigem Signal/Rauschverhaltnis des Detektors kann die Glucosekonzentration über die Probentiefe in genügend kleine Schritte bestimmt werden, so das die Blutglucosekonzentration eines oder mehrerer im Lichtweg liegenden Blutgefäße bestimmbar wird.

In der Regel ist es zur Blutzuckerbestimmung aber ausreichend, wenn die Konzentration der Glucose sowohl in der Nähe, als auch in den Kapillargefäße selbst ermittelt wird.

Die Detektion des Lichtes erfolgt bevorzugt mit einem Diodenzeilenspektrometer 16. Um einen größeren Spektralbereich abzudecken, können mehrere verschiedene Spektrometer 16 mit entsprechender Optik und Polarisatoren, entsprechend der zuvor und in Fig. 2 oder Fig. 6 beschriebenen Anordnung, parallel betrieben werden. Die bevorzugt zur Lichtführung verwendeten einstrahlenden und auslesenden Fasern 5, 7, sofern erforderlich, sind am Messkopf 12 entsprechend zu ergänzen. Die Fasern sollten zumindest innerhalb des Messzeit keine weitere mechanische Durchbiegung erleiden, um das Transmissionsverhalten durch die Faser nicht zu beeinflussen.

Die Lichtführung kann auch ohne Fasern erfolgen. Dem Fachmann sind hierzu eine Reihe von möglichen Applikationen bekannt, einen guten Überblick wird in der Gebrauchsmusterschrift DE-C-39 13 228 vermittelt, auch werden entsprechende Spiegelsysteme beispielsweise von LOT- Oriel, Darmstadt vertrieben.

Die gewonnenen Spektrendaten können wie oben beschrieben elektronisch ausgewertet und verarbeitet werden.

Die Ermittlung der Analytkonzentration aus den gewonnenen Messwerten kann anhand der folgenden beiden Methoden erfolgen:

  • - Vergleich mit Messwerten, die an Proben bekannter Konzentration gewonnen wurden (infolge als Vergleichsmethode bezeichnet).
  • - Individuelle Kalibrierung unter Verwendung eines Kalibrierstreifens (infolge als Kalibriermethode bezeichnet).

Bevorzugt wird jedoch eine Kombination beider Methoden angewendet. Auswerteverfahren mittels Vergleichsmethode sind den Fachmann beispielsweise aus der Patentschrift DE-T-693 28 331, EP-A-94915814, EP-A-91906149, EP-A-552300 und DE-A-199 63 561 bekannt. Bevorzugt wird die von R. Marbach, H. M. Heise, "Callibration Modelling by Partial- Least Squares and Principal Component Regession and ist Optimization Using Improved Leverage Correction for Prediction Testing, Chem. Int. Lab. Sys.9, 45-63 (1990)" beschriebene Methode verwendet. Die zur Durchführung der Kalibriermethode verwendeten erfindungsgemäßen Kalibrierstreifen werden vor der Messung auf die Probe aufgeheftet oder lediglich aufgelegt, bevorzugt aufgeklebt. Die erfindungsgemäßen Kalibrierstreifen umfassen:

  • a) einen polymeren Träger und/oder
  • b) eine Matrix;
  • c) eine oder mehrere Aussparungen der Matrix (ii) die eine oder verschiedene Konzentrationen des Kalibrieranalyten, Referenzindikatoren, Feuchthaltemittel und Puffersubstanzen gelöst in der Matrix (ii) enthält und als Kalibrierfenster 18 dienen kann;
  • d) eine oder mehrere Aussparung/en der Matrix (ii) die eine oder verschiedene Konzentrationen der Referenzindikatoren, Feuchthaltemittel und Puffersubstanzen gelöst in der Matrix (ii) enthalten und als Messfenster 19 dienen kann;

Erfindungsgemäße Träger (i) bestehen aus weitgehend transparenten Kunststoffen bevorzugte NIR-transparente Kunststoffe (NIR = nahes Infrarot) sind Polyethylen, Polypropylen, Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Ethylen/Propylen Copolymeren, Poly(vinylfluorid), Nylon, Chlortrifluorethylenpolymer und Polyester beispielsweise Hergestellt durch die Firma Mitsubishi in Wiesbaden besonders bevorzugt ist Poly(tetrafluorethylen).

Die Folienstärke des Trägers (i) beträgt 0,5 µm bis 500 µm vorzugsweise 10 µm bis 300 µm besonders bevorzugt 15 µm bis 100 µm.

Geeignete Matrices (ii) bestehen, insbesondere bei Analyten, wie dem pH-Wert, die in der wässrigen Phase bestimmt werden, aus geeigneten wasserlöslichen Polymeren. Diese sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik, wie z. B. aus DE-A-199 09 838, bekannt. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus teil- oder vollverseiften Polyvinylalkoholen, Gelantine, Alginaten, Carragen, Polyvinylpyrrolidon, Stärke und Stärkederivate, Polyglycol und/oder Polyacrylsäuren oder Mischungen dieser Verbindungen bevorzugt verwendet man Gelantine.

Die Schichtstärke der Marix (ii) beträgt 1 µm bis 500 µm vorzugsweise 10 µm bis 160 µm besonders bevorzugt 25 µm bis 50 µm.

Bevorzugt werden der Marix (ii) Klebstoffe zugesetzt, so dass der Kalibierstreifen eine selbstklebende Beschichtung aufweist, die eine bessere Befestigung an/auf der Probe ermöglicht.

Die hierbei in Frage kommenden Klebstoffe sind dem Fachmann hinreichend bekannt, einen guten Überblick über solche Substanzen gibt die DE-A-198 20 858.

Die Konzentrationen der in der Matrix (ii) eingebetteten Klebstoffe beträgt 0,5 bis 99,5 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii).

In der oben beschriebenen Vergleichsmethode wurden viele ähnliche Proben unterschiedlicher Konzentration zur Ermittlung der Analytkonzentration benötigt. Da die so gewonnenen Spektrendaten nicht zeitlich eng zusammen liegen und die Probenstruktur beispielsweise der menschlichen Haut zeitlich bei der gleichen Person oder von Mensch zu Mensch stark variiert ist diese Methode zur Ermittlung verschiedener Analytkonzentrationen ungenau.

Mitteis der Kalibriermethode werden durch ein oder mehrere Kalibrierfenster Spektren aufgenommen die eine individuelle Kalibrierung in kurzen zeitlichen Abständen und an der gleichen Probe ermöglicht. Die so gewonnen individuellen Vergleichsspektren, die sich bevorzugt nur in den Analytkonzentrationen unterscheiden, werden durch die Standardadditionsmethode ausgewertet. Diese Verfahrensweise ist dem Fachmann beispielsweise durch M. Bader, J. Chem. Educ. (1980), 57, 703. bzw. Skoog, Leary "Instrumentelle Analytik" Springer-Verlag Berlin (1996) bekannt. Der Kalibrierstreifen besitzt dazu im Kalibrierfenster 18 Bereiche mit unterschiedlichen definierten Kalibrieranalytkonzentrationen oder bevorzugt mehrere Kalibrierfenster 18 mit jeweils unterschiedlicher Kalibrieranalytkonzentrationen.

In einer besonderen Ausgestaltung kann der Kalibrieranalyt verschiedene Substanzen umfassen, beispielsweise Glucose und Furosine. Die Konzentration zwischen den Kalibrierfenstern variiert zumindest für eine Substanz.

Die Konzentrationen der in der Matrix (ii) eingebetteten Kalibrieranalyte beträgt 10-9 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10-6 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 10-3 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) an dem Kalibrierfenster.

Der Kalibrieranalyt liegt in der Marix (ii) bevorzugt im gleichen hydratisierten Zustand vor wie der entsprechende Analyt in der Probe. Der Marix (ii) werden daher bevorzugt Feuchthaltemittel zugesetzt. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Glycerin, Sorbit, 1,2-Propandiol, 1,3-Butandiol, 1,2- Propanglykol, Magnesiumchlorid, Calciumchlorid, Zinkchlorid, Phosphorpentoxid oder Mischungen dieser Verbindungen bevorzugt verwendet man Zinkchlorid.

Die Konzentrationen der in der Matrix (ii) eingebetteten Feuchthaltemittel beträgt 10-9 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) an den Kalibrierfenstern.

Für die Bestimmung von Analyten deren spezifisches Absorption von den vorliegenden pH-Wert abhängig ist, wie beispielsweise Furosine oder Pentosidine in dem Stratum corneum der menschlichen Haut, werden bevorzugt neben dem Kalibrieranalyten auch Puffersubstanzen in der Matrix (ii) verwendet. Diese stellen vor der Messung in der Kalibrier und Messstelle einen definierten pH-Wert ein.

Geeignete Puffersubstanzen sind dem Fachmann beispielsweise aus Rex M. C. Dawson, Daphne C. Elliott, William H. Elliot, Kenneth M. Jones " Data for Biochemical Research " Oxford Science Publications (1986) bekannt bevorzugt wird Na2HPO4 und NaH2PO4 verwendet.

Die Konzentrationen der in der Matrix (ii) eingebetteten Puffersubstanzen beträgt 10-9 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10-6 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 103 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) an dem Kalibrierfenster.

Der erfindungsgemäße Kalibrierstreifen kann auf der Matrixseite noch mit einer Schutzfolie versehen sein. Diese Schutzfolie kann aus z. B. aus PE, PTFE, PP, Ölpapier oder bevorzugt Aluminium gefertigt sein. Die Schutzfolie, die auch mit CE, Haltbarkeitsdatum, Chargen.-Nr. und weiteren Herstellerangaben gekennzeichnet werden kann, wird vor der Messung von der Kleberschicht abgezogen und verworfen.

Vor der Messung wird der Kalibrierstreifen mit der Kleberschicht voran auf die Probe gedrückt so das die Luft zwischen dem Trägermaterial und der Probe im Bereich der Kalibrier/Messfenster 18, 19 verdrängt wird. Wenn Puffersubstanzen in der Matrix eingebettet sind, die in der Kalibrier/Messfenster 18, 19 eine bestimmten pH-Wert einstellen sollen, so muss zunächst gewartet werden bis sich dieser Zustand beispielsweise durch dass aus der Probe eindiffundiertes Wasser eingestellt hat, sonst werden in folge die Spektren am Mess- und am Kalibrierfenster 18, innerhalb einer kurzen Zeitfolge, vorzugsweise innerhalb einer Stunde, besonders bevorzugt gleichzeitig aufgenommen.

Alternativ kann es jedoch auch ausreichen den Kalibrierstreifen nur in der unmittelbaren Nähe der Probe zu positionieren, so dass die elektromagnetische Strahlung durch die Fenster des Streifens ein- und ausgestrahlt, eine selbstklebende Beschichtung unter Verwendung des oben genannten Klebstoffes ist in diesem Falle nicht erforderlich. Während der Probenmessung tritt das durch das Kalibrierfenster 18 eingestrahlte Lieht in Wechselwirkungen mit den Molekülen der Probe (mit unbekannter Analytkonzentration), der Kalibrieranalyte (mit bekannter Konzentration) sowie des Matrix- und des Trägermaterials. Ohne angelegtes Magnetfeld ist die gemessene Absorption über dem gesamten Polarisationswinkel von 180° des durch das Messfenster eingestrahlten Lichts hingegen lediglich auf dessen Wechselwirkung mit den Molekülen der Probe (mit unbekannten Analytkonzentration), der Matrix (ii) und des Trägermaterials (i) zurückzuführen. Dies ändert sich auch nicht durch das Einbringen eines Magnetfeldes in die Probe. Die Analytkonzentration lässt sich durch das Standardadditionsverfahren sowohl aus den an den Kalibrierfenstern gewonnenen Messdaten alleine, als auch durch deren Vergleich mit den durch die Messfenster aufgenommenen Spektren ermitteln. Es ist daher bei dem Standardadditionsverfahren nicht nötig eine separate Messstelle auszuweisen.

Wird der Kalibrierstreifen auf eine Probe aufgebracht, die Stoffe mit magnetischen Dipolmoment umfasst (z. B. Wasser) und wirkt auf den Kalibrierfenster mit Probe ein Magnetfeld (wie oben beschrieben), kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich eine tiefenabhängige Kalibration durchgeführt werden. Beispielsweise wurde in dem oben beschriebenen Verfahren zur Glucosebestimmung in inhomogenen Proben die spezifische konzentrationsbezogene Absorption (quantitativ) nur anhand von Vergleichsspektren ähnlicher Proben gewonnen. Wird auf die menschliche Haut ein Kalibrierstreifen aufgeklebt der in einem Kalibrierfenster eine definierte Glucosekonzentration besitzt so ist es lediglich . nötig, anhand von ähnlichen Proben, die spezifische Absorption der Glucose (qualitativ) zu ermitteln, um dann die Glucosekonzentration (in der gleichen Probe) je Probentiefe in Vergleich mit der bekannten in der Matrix des Kalibrierfenster zu berechnen ( Vergleichsmethode). Diese Berechnung der Analytkonzentration kann für jedes Kalibrierfenster mit bekannter Kalibrieranalytkonzentration erneut durchgeführt werden und beispielsweise durch anschließender Mittelwertbildung die Messgenauigkeit des Verfahrens gesteigert werden. Da sich die Spektren der Matrix in den Kalibrierfenstern bevorzugt nur durch die bekannten Kalibrieranalytkonzentrationen unterscheiden, kann sowohl die (qualitative) Ermittlung des spezifischen Absorptionsspektrum des Analyts als auch das (quantitative) spezifische konzentrationsbezogene Absorptionsspektrum alleine mit Hilfe der Kalibrierstreifen durch die Vergleichsmethode durchgeführt werden. Die aufwendige Ermittlung dieser Informationen aus ähnlichen Proben entfällt.

In einer besonderen Ausgestaltung des Kalibriersteifens sind innerhalb der Matrix verschiedene definierte Kalibrieranalytkonzentrationen aufgetragen. Ebenso können auch mehrere Kalibrierstreifen übereinander geklebt werden (bzw. vorgefertigt bereitgestellt werden), so dass sich in dem Kalibrierfensterbereich unterschiedliche Kalibrieranalytkonzentrationen mit den Trägern abwechseln. Diese Art von Kalibrierstreifen brauch nur mit einen Kalibriefenster ausgeführt werden. Nachdem diese Art von Kalibrierstreifen ("Kalibrierpunkt") auf die Probe befestigt wurde kann die Analytkonzentration in einer oder mehreren Probentiefen, mittels des oben beschriebenen Auswerteverfahrens, mit den bekannten Kalibieranalytkonzentrationen in verschiedenen bekannten Tiefen verglichen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Kalibrier- /Messstellen (Fenster) 18, 19 zusätzlich mit Lieht absorbierenden Substanzen bevorzugt IR absorbierende Substanzen gekennzeichnet werden, so dass anhand des Spektrums dieser Substanzen (Referenzindikatoren) eine Zuordnung zur jeweiligen Kalibrierstelle/Messstelle möglich ist.

Die Kalibrier-/Messstellen können auch für das menschliche Auge sichtbar gekennzeichnet werden, so dass dem Operator eine leichte Unterscheidung von Kalibrierfenster und Messfenster möglich ist.

Die Kennzeichnung mittels dieser Referenzindikatoren hätte neben der Automatisierung der Zuordnung den weiteren Vorteil, dass eine Gegenkalibrierung des Analyten und des zugesetzten Kalibrieranalyten möglich ist. Wird ein Messkopf auf eine Kalibrierstelle mit z. B. unterschiedlich starkem Anpressdruck aufgesetzt, resultieren daraus verschieden ausgeprägte Spektren. Bei Zusatz einer definierten Menge an kennzeichnender IR- absorbierender Substanz wird deren Spektrum ebenfalls mehr oder weniger ausgeprägt eingelesen. Diese zusätzliche Information ermöglicht eine Aussage über die Güte des eingelesenen Gesamtspektrums und erfüllt die Aufgabe eines internen Standards, der als Referenzlinie zum Abgleich von Messungenauigkeiten dienen kann.

Bevorzugt werden solche Substanzen als Referenzindikatoren die in der Probe nicht oder in einem ausmaß vorkommen welches unterhalb der Nachweisgrenze der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorkommen und nicht innerhalb der gleichen Wellenlängen wie das zu analysierende Analyte absorbiert. Dem Fachmann sind solcherlei Referenzindikatoren beispielsweise durch B. Schrader "Raman/Infrared Atlas of Organic Compounds" 2. Aufl. VCH Verlag Weinheim (1989); C. J. Pouchert, Hrsg. "The Aldrich Chemical, Milwaukee 3. Auflage (1981); Stadtler, "The Atlas of Near Infrared Spectra" Philadelphia (1981) bekannt und kann diese mit Hilfe des oben beschrieben Verfahrens dahingehend analysieren ob keine Störung der spezifischen Absorption des Kalibrieranalyten durch den Referenzindikators vorliegt.

Handelt es sich bei der zu bestimmende Größe (Analyt) um den pH-Wert, so wird mit Hilfe von Puffersubstanzen als Kalibrieranalyt, ein definierter pH-Wert lokal auf der Probe eingestellt.

Die verwendeten Klebstoffe 20 der erfindungsgemäßen Kalibrierstreifen besteht bei Analyten, die in der wässrigen Phase bestimmt werden, wie dem pH-Wert, aus geeigneten hydrophoben Verbindung. Bei dieser Ausgestaltung bildet sich zwischen den löslichen Anteil der Matrix (ii) am Kalibrierfenster und der umgebenden Beschichtung 20, spätestens nach dem Lösen der Puffersubstanzen durch eindiffundiertes Wasser aus der Probe, eine hydrophobe Barriere, die eine Diffusion der Kalibrieranalyte in die Beschichtung 20 und damit aus dem Bereich des Kalibrierfensters 18 verhindert.

Im Falle der pH-Wertbestimmung der obersten Hautschichten tritt durch das Kalibrierfenster 18 eingestrahlte Licht, in Wechselwirkung mit den Molekülen der Probe (mit dem eingestellten pH-Wert), den Puffersubstanzen, der Matrix und des Trägermaterials. Die Absorption des durch das Messfenster eingestrahlten Lichts ist hingegen lediglich auf dessen Wechselwirkung mit den Molekülen der Probe (mit unbekannten pH-Wert) der Matrix und des Trägermaterials zurückzuführen.

Durch den Vergleich der durch das Kalibrierfenster 18 gemessenen Spektren der Puffersubstanzen (mit bekanntem pH-Wert) mit den durch das Messfenster 19 aufgenommenen Spektren der Probe (mit unbekanntem pH-Wert) kann nunmehr der pH-Wert der Probe ermittelt werden.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ersetzt die Kombination der Matrix (ii) mit der selbstklebenden Beschichtung den polymeren Träger (i).

Die selbstklebende Beschichtung in der Matrix (ii) des Kalibrierfensters 18 und/oder des Messfensters 19 kann in dieser Ausgestaltungsform beidseitig mit einer Schutzfolie versehen sein.

Für die Messung wird zunächst die erste Schutzfolie entfernt und der Kalibrierstreifen mit der Kleberschicht 20 voran auf die Probe gedrückt, wobei die Luft zwischen der verbliebenen Schutzfolie und der Probe im Bereich der Fenster 18, 19 verdrängt wird. Nach Entfernen der zweiten Schutzfolie kann der Messkopf 12 nun auf die Kalibrier-/Messfenster 18, 19 aufgesetzt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass der Messkopf so gestaltet ist, dass eine gleichzeitige Bestimmung alter Kalibrier- /Messfenster möglich ist. Andernfalls muss zwischen den einzelnen Fenstern gewechselt werden, wobei der Messkopf nach jeder Messung zu reinigen ist.

Die durch die Reflektions-Absorptions-Spektroskopie bestimmbaren Analyte sind dem Fachmann aus zahlreichen Monografien, siehe für den ultravioletten und sichtbaren Bereich. G. Kortüm " "Reflexionsspektroskopie" Springer Verlag Berlin (1966) und IR Berich I. Murray, I. A. Cowe, Hrsg. " Making Light Work Advances in Near Infrared Spectroscopy", VCH. Weinheim (1992); DE-T-693 28 331, DE-T-696 12 126 auch mit polarisiertem Licht siehe AJ. Michl, E. W. Thulstrup Spectroscopy with Polarized Light VCH Wein (1995) bekannt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbaren Analyte sind neben diesen ausgewählt aus der Gruppe bestehend pH-Wert (OH-, H+), Laktat, Glucose, Insulin, Glukagon, Collagen, Gesammtcholesterol, HDL- Cholesterin, LDL-Cholesterin, Gesammtprotein, Ammoniak, Bilirubin, Melanin, Hämoglobin, Oxy-Hämoglobin, Wasser, Hämatokrit, Heparin, Albumin, Furosine, Pentosidine, Globulin, Triglyceride, Harnstoff und Creatintin.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur spektroskopischen Konzentrationsbestimmung von Analyten in einer Probe, umfassend die Schritte
    1. a) Einstrahlung von polarisierter elektromagnetischer Strahlung in die Probe;
    2. b) Änderung der Polarisationsrichtung der eingestrahlten polarisierten Strahlung mittels eines in der Probe eingebrachten magnetischen Feldes;
    3. c) Reflexion/Streuung der Strahlung innerhalb der Probe;
    4. d) Änderung der Polarisationsrichtung der reflektierten/gestreuten polarisierten Strahlung mittels eines in die Probe eingebrachten magnetischen Feldes;
    5. e) Sammeln der reflektierten/gestreuten Strahlung außerhalb der Probe;
    6. f) Messung der Absorption der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von deren jeweiligem Polarisationswinkel;
    7. g) Korrelation der für die jeweiligen Polarisationswinkel gemessenen Absorptionen mit der Analytkonzentration der Probe.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in der Probe angelegte magnetische Feld in einen Winkel von 1°-90° zur Probenoberfläche ausgerichtet ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei die auf die Probe einwirkende magnetische Feldstärke moduliert ist.
  4. 4. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte elektromagnetischen Strahlung eine Wellenlänge von 200 nm bis 40000 nm besitzt.
  5. 5. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Probe eingestrahlte und/oder aus der Probe gesammelte elektromagnetischen Strahlung in der Polarisationsebene moduliert ist.
  6. 6. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte/gestreute Strahlung aus ein oder mehreren Raumwinkeln bezogen auf die Richtung der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung gesammelt wird.
  7. 7. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung zerhackt ist.
  8. 8. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der untersuchten Probe eingestellt und/oder bestimmt werden kann.
  9. 9. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation von Absorption mit der Analytkonzentration durch Bestimmung der mittleren linken und/oder rechten Drehung der Polarisationsebene bei verschiedenen auf die Probe eingebrachten magnetischen Feldstärken erfolgt.
  10. 10. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation für die jeweiligen Polarisationswinkel gemessenen Absorptionen bei verschiedene in die Probe eingebrachten magnetischen Feldstärken mit der Analytkonzentration verschiedener Probentiefen erfolgt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Korrelation von Absorption mit der Analytkonzentration von verschiedenen Probentiefen durch den Vergleich ein oder mehrerer Absorptionen mit bekannter Analytkonzentration erfolgt.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Korrelation von Absorption mit der Analytkonzentration in verschiedenen Probentiefen durch den Vergleich mindestens einer Absorption von bekannter Analytkonzentration und bekannter Probentiefe erfolgt.
  13. 13. Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation von Absorption mit der Analytkonzentration durch den Vergleich einer Absorption bei bekannter Elektrolytkonzentration erfolgt.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, wobei die Korrelation von Absorption mit der Analytkonzentration durch ein Standardadditionsverfahren erfolgt.
  15. 15. Verfahren nach Ansprüchen 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation unter Verwendung eines Kalibrierungsstreifens gemäß irgendeinem der Ansprüche 28 bis 42 erfolgt.
  16. 16. Vorrichtung zur spektroskopischen Konzentrationsbestimmung, umfassend einen Magneten, eine optische Einrichtung zur Einstrahlung und zum Ableiten der von der Probe reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung, wobei die optische Einrichtung so angeordnet ist das die Einstrahlung in den Probenbereich erfolgt welche mit Hilfe des Magneten mit einen magnetischen Feld überlagert wurde.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sammeln der reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung eine oder mehrere Linsen oder Spiegel auf einer der Probe zugewandten Seite angeordnet ist.
  18. 18. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung zur Einstrahlung, zum Sammeln und/oder Ableiten der von der Probe reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung im Inneren des Magneten angeordnet ist.
  19. 19. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung zur Einstrahlung und zum Sammeln und/oder Ableiten der von der Probe reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung ausserhalb des Magneten angeordnet ist.
  20. 20. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zur Einstrahlung, zum Sammeln und/oder Ableiten der von der Probe reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung lichtleitende Faser auf einer der Probe zugewandten Seite endet.
  21. 21. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung eine oder mehrere lichtleitende Fasern auf einer der Probe zugewandten Seite endet.
  22. 22. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstrahlen und/oder Ableiten der reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung ein oder mehrere lichtleitende Fasern auf ein oder mehreren Linsen angeordnet sind.
  23. 23. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstrahlen und/oder Ableiten der reflektierten/gestreuten elektromagnetischen Strahlung Spiegel und/oder Linsen verwendet werden.
  24. 24. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (1) eine oder mehrere Aussparungen zur Aufnahme der Probe und/oder zum Einstrahlen und/oder Ableiten der elektromagnetischen Strahlung aufweist.
  25. 25. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Seite aufweist, welche mit der Probe in Kontakt gebracht werden kann und an welcher die optische Einrichtung angeordnet ist.
  26. 26. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, das der Magnet (1) ein Elektromagnet ist, dessen magnetische Feldstärke variiert werden kann.
  27. 27. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, das der Magnet (1) ein Permanent- oder supraleitender Magnet ist, dessen magnetische Feldstärke senkrecht zur Probenoberfläche variiert werden kann.
  28. 28. Kalibrierungsstreifen, umfassend
    1. a) einen polymeren Träger und/oder
    2. b) eine Matrix;
    3. c) eine oder mehrere Aussparungen der Matrix (ii) die eine oder verschiedene Konzentrationen des Kalibrieranalyten, Referenzindikatoren, Feuchthaltemittel und/oder Puffersubstanzen gelöst in der Matrix (ii) enthält und als Kalibrierfenster 18 dienen kann;
    4. d) eine oder mehrere Aussparungen der Matrix (ii) die eine oder verschiedene Konzentrationen der Referenzindikatoren, Feuchthaltemittel und/oder Puffersubstanzen gelöst in der Matrix (ii) enthalten und als Messfenster 19 dienen kann;
  29. 29. Kalibrierungsstreifen nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (ii) ein Klebstoff beinhaltet.
  30. 30. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 29, dadurch gekennzeichnet das die Konzentration des Klebstoffes 0,5 bis 99,5 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) beträgt.
  31. 31. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (ii) ein wasserlösliches Polymer umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus teil- oder vollverseiften Polyvinylalkoholen, Gelatine, Alginaten, Carragen, Polyvinylpyrrolidon, Stärke und Stärkederivate, Polyglykol und/oder Polyacrylsäuren oder Mischungen dieser Verbindungen bevorzugt verwendet man Gelatine.
  32. 32. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (i) aus weitgehend NIR-transparenten Polymeren besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Ethylen/PropylenCopolymere, Poly(vinylfluorid), Polyester, Chlortrifluorethylenpolymer und Nylon oder Mischungen dieser Polymere.
  33. 33. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 32, dadurch gekennzeichnet das die Matrix (ii) am Kalibrierfenster (iii) wenigstens einen Kalibrieranalyten umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Laktat, Glucose, Insulin, Glukagon, Collagen, Gesammtchofesterol, HDL-Cholesterin, LDL-Cholesterin, Gesammtprotein, Ammoniak, Bilirubin, Melanin, Hämoglobin, Oxy-Hämoglobin, Wasser, Hämatokrit, Heparin, Albumin, Furosine, Pentosidine, Globulin, Triglyceride, Harnstoff und Creatintin.
  34. 34. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 33, dadurch gekennzeichnet das die Konzentration des Analyten 10-9 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) am Kalibrierfenster beträgt.
  35. 35. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 34, dadurch gekennzeichnet das die Matrix (ii) am Kalibrierfenster (iii) und/oder Messfenster (iv) wenigstens einen Referensindikator umfasst.
  36. 36. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 35, dadurch gekennzeichnet das die Konzentration des Referenzindikators 10-9 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) am Kalibrierfenster und/oder Messfenster beträgt.
  37. 37. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 36, dadurch gekennzeichnet das die Matrix (ii) am Kalibrierfenster (iii) und Messfenster (iv) wenigstens eine Puffersubstanz umfasst.
  38. 38. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 37, dadurch gekennzeichnet das die Konzentration der Puffersubstanzen 10-9 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) am Kalibrierfenster beträgt.
  39. 39. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 38, dadurch gekennzeichnet das die Matrix (ii) am Kalibrierfenster (iii) und Messfenster (iv) wenigstens ein Feuchthaltemittel umfasst.
  40. 40. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der Ansprüche 28 und 39, dadurch gekennzeichnet das die Konzentration des Feuchthaltemittels 10-9 bis 70 Gew.-%, bezogen auf die Matrix (ii) am Kalibrierfenster beträgt.
  41. 41. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messfenster (iv) ebenfalls eine Matrix (ii) jedoch keinen Analyten umfasst.
  42. 42. Kalibrierungsstreifen nach irgendeinem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser keinen polymeren Träger (i) aufweist.
  43. 43. Verwendung des Kalibrierungsstreifens nach irgendeinem der Ansprüche 28 bis 42 zur Durchführung des Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15.
  44. 44. Verwendung der Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 27 zur Durchführung des Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com