WO2002025245A1 - Method and device for detecting an analyte in a sample holder - Google Patents

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WO2002025245A1
WO2002025245A1 PCT/EP2001/010389 EP0110389W WO0225245A1 WO 2002025245 A1 WO2002025245 A1 WO 2002025245A1 EP 0110389 W EP0110389 W EP 0110389W WO 0225245 A1 WO0225245 A1 WO 0225245A1
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WO
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liquid
analyte
detector unit
sample carrier
interface
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/010389
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Müller
Herwig Brunner
Frank Vitzthum
Jürgen Bernhagen
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02Investigating surface tension of liquids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N35/1009Characterised by arrangements for controlling the aspiration or dispense of liquids
    • G01N2035/1025Fluid level sensing

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for detecting an analyte in a sample carrier, said Anal 'yt optionally in and / or on a liquid or gaseous or solid recording medium is contained under the existence of at least one liquid.
  • Spectrophotometric and luminometric methods for the determination of analytes on the basis of absorption and luminometric properties of the analytes are already known. Furthermore, detection reactions are used in a known manner in order to achieve spectrophotometric or luminometric effects, with the aid of which the analytes can be detected indirectly. These known primary detection methods are relatively complicated, complex and expensive.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for carrying out the same, which should enable an alternative detection of an analyte in a sample carrier, with the spectrophotometry and / or luminometry possibly only being used secondarily.
  • a method is proposed with the features of claim 1 characterized in that the geometric configuration of an interface of the liquid is used to detect the analyte in the sample carrier by measuring a measurement value dependent on the shape of the interface.
  • the substances to be analyzed, analytes are not only pure gases, liquids or solids. It is also possible to determine qualitatively and / or quantitatively substances that are in gases, liquids, at solids or interfaces.
  • the method not only offers the possibility to record the properties of static systems in equilibrium, but also to track the kinetics of dynamic systems. For example, the diffusion of surface-active components or their formation or change in reactions can be recorded. Furthermore, the binding and / or reaction of components of gases and / or liquids with surface-bound partners can be detected. In addition, reactions, in particular enzymatically catalyzed reactions that take place in liquids, at surfaces or interfaces, can be recorded. It is also conceivable to use two or more immiscible liquids with different densities.
  • a gas can also be present in the multi-component system. Interactions at the interfaces, liquid-liquid, liquid-solid, liquid-gaseous and solid-gaseous, can thus be investigated. For example, it is conceivable to investigate surface-active enzymes, such as lipases. It is also possible to erase interfacial to track stations. The determination is carried out by optical systems so that, for example, spectrophotometric and / or luminometric techniques can be used in addition.
  • the invention does not primarily utilize the spectrophotometric and / or lu-geometric properties of the analytes or the detection reactions to determine the properties of gases, liquids and / or surfaces. Instead, it uses the geometrical configuration (for example in the form of a meniscus formation) of an interface of a liquid which is located in a sample carrier.
  • Menisci are formed depending on the physico-chemical properties of the surfaces of the sample carrier system used as well as the liquid (s) and / or gases contained therein. These menisci lead to local changes in the height of the liquid column (s) and act as optical lenses.
  • the method according to the invention can be used to determine material properties, in particular polarity, of liquids and / or surfaces and thus also for the detection of analytes. The properties and / or the composition of gases can also be determined.
  • the method is extremely flexible and can be used universally.
  • the sensitivity is preferably very high by selecting the dimensions of the sample carriers to be small, so that the greatest possible meniscus formation occurs. Accordingly, small sample volumes are preferably used.
  • the measurement effects are most evident at very low analyte concentrations. Parallelization and automation is also possible.
  • the invention is particularly attractive for the bio-chip or lab-on-a-chip area. The new method can therefore not only be used successfully for a so-called “low sample throughput", but in particular also for a "high sample throughput".
  • the analyte or the liquid is penetrated with at least one light beam and a light intensity dependent on the geometric configuration of the interface is determined by means of a detector unit for detecting the analyte in the sample carrier.
  • a light beam passing through the analyte or the liquid is particularly suitable for the detection of the analyte, since a change in the light intensity, which can be measured precisely by means of the detector unit, occurs depending on the geometrical configuration of, for example, a meniscus, which draws conclusions at least on the existence of the analyte in the sample. carrier and if necessary allow a qualitative determination and / or quantification of the analyte.
  • a photometric measurement or a luminometric measurement is advantageously carried out by means of the detector unit. Both a photometric and a luminometric measurement by means of the detector unit permits reproducible and reliable detection of the analyte in a sample carrier, which is interspersed with at least one light beam.
  • the detector unit is preferably moved while changing the distance to the interface. In this way it is possible to demonstrate whether a meniscus arising at the interface is concave or convex in relation to the detector unit.
  • an optical lens system arranged between the meniscus and the detector unit is moved in order to optimize the measurement.
  • the measurement of the light intensity by means of the detector unit can be optimized with regard to the measurement precision and / or the measurement area.
  • the device according to the invention comprises a sample holder for holding a liquid, gaseous or solid, if necessary Recording medium contained analytes under the presence of a liquid with an interface, a light source for emitting at least one light beam passing through the analyte or the liquid and a detector unit for determining a light intensity dependent on the geometric configuration of the interface.
  • a device designed in this way is particularly suitable for carrying out the method according to the invention, and advantageously the design of the sample holder, the detector unit and / or the light source can be flexibly adapted to the analytes to be detected in each case in a sample holder.
  • the detector unit with a curved detector surface
  • a lens system that can be moved to optimize the measurement between the sample carrier and the detector unit and / or to design the detector unit such that it has at least one frontal detector section and / or at least with respect to the sample carrier has a side detector section.
  • FIG 1 is a schematic representation of a device according to the invention according to a first embodiment
  • FIGS. 2A each a schematic representation 2B, 3 of physical effects on a meniscus
  • Figures each a schematic representation 4A to 4E development of light beams with different angles of incidence
  • FIGS. 5A to 5J each show schematic representations of different embodiments of a device according to the invention or different embodiments of a method according to the invention
  • FIG. 9 shows the result of a location-dependent signal resolution as a function of a detector curvature in diagram form
  • Figure 10 shows an inventive device with a lens system
  • FIGS. 1-10B each a schematic representation ILA, 11B development of a device according to the invention with a planar and with a curved interface;
  • FIGS. 13A, 13B each show a schematic representation of the device according to the invention with a plurality of light sources or with mirrors;
  • Figure 14 is a schematic representation of a
  • FIGS. 15A, 15B each show a schematic representation of a sample carrier with three different liquids
  • Figures each show a schematic representation 16A, 16B of a sample holder with inflow and outflow systems.
  • FIG. 1 The basic features of the devices and methods according to the invention are illustrated below using the influence of circular menisci (M) in vertical spectrophotometric measurements of liquids in sample carriers (FIGS. 1 and 4).
  • M circular menisci
  • FIG. 1 The arrangement according to the invention of a sample holder (PT) filled with a liquid with respect to a light beam (L) and a detector unit (D) is shown schematically in FIG.
  • the detector unit (D) consists of at least one detector element (D A ) and is present Example with three detector elements (D A , D B D c ).
  • detector optics can be located between the liquid and the actual detector unit (D).
  • the detector optics can be constructed from lenses or lens systems and filters, for example interference filters, polarization filters, etc. The inclusion of a grating system for spectral analysis is also conceivable.
  • the starting point of the light beam (light source LQ) is placed under the sample holder (PT) and the position of the detector unit (D) above it.
  • the y coordinate includes the relevant areas of the liquid column in the sample holder as well as the distance of the detector unit from the transparent bottom of the sample holder, which is set to zero. Information on the y coordinate that relates to the liquid column is described with the layer thickness (d), otherwise y is used.
  • Line 22 in FIG. 1 shows a planar interface, while line 23 shows a concave meniscus.
  • the layer thickness of the liquid in a meniscus changes continuously depending on the curvature of the meniscus (FIG. 2), on the other hand, the light is refracted at the curved interface (FIG. 3). This makes up the lens effect of a meniscus. There is also a change in reflection. This increases with increasing meniscus curvature and the diameter of the light beam. Scattering effects are hardly noticeable. Furthermore, the radius of the detector unit (r D ) or the detector elements (r D , A , B , etc.) and its distance from the meniscus or from the sample carrier bottom play a role (FIG. 4).
  • a light beam with radius (r L ) is divided into partial light beams with certain radii (r P ).
  • the signal of this detector element decreases and the intensity of a refracted light beam (1 ⁇ ) measured there is less than that of the refracted light beam (I B ) or the unbroken light beam (I). If reflection and scatter are neglected, I B can be set equal to I.
  • I B and I are intensities of light rays that have already passed through a medium and can therefore be distinguished from the intensities of the light rays that are radiated into the medium (I D ).
  • the layer thickness depends on the radius (d (r) ) at any point (Z) on a convex meniscus:
  • c is the concentration of the chromophore and ⁇ its molar, decadal absorption coefficient at a certain wavelength.
  • a reaction product, or another absorbent substance, but preferably a liquid can serve as a chromophore.
  • measurements in the infrared range are advantageous because water absorbs them.
  • the spectrophotometric properties of one or more components can be used.
  • the angle ⁇ will not be zero.
  • the choice of the sample carrier radius plays a role here. Therefore, not only semicircular menisci are formed, but also circular menisci.
  • menisci with location-dependent meniscus radii (R ( r )) form FIG. 2B), which can be described as follows:
  • a solution can be used by determining the average layer thickness (d m ).
  • d m the mean value of the integral calculation, with which the following results:
  • the refraction of the light can also be used analytically. This is determined by Snellius' law of refraction: sinör n 2 [Lu f t)
  • the intensity (I D ) measured at the detector unit results from the signal generated there, for example the voltage (U), which depends on the intensity of the light, i.e. on the number of incident photons and their energy ( Figure 4).
  • U the voltage
  • the x coordinate (r PD ) of a partial light beam that strikes the detector unit is compared with the x output coordinate of the partial light beam (r P ), the distance between the detector unit and the meniscus surface (y D - d ( M)) and the angle of incidence and refraction are determined as follows (FIG. 3):
  • the intensity of a refracted light beam (1 °) measured at the detector element D A thus corresponds to the intensity of a refracted light beam
  • the photon density of a light beam is expressed in photons per area (A) and time (t):
  • a yD l ⁇ r L dr L d ⁇ ⁇ ⁇ r
  • the method according to the invention and the device according to the invention necessary therefor are suitable for determining the properties of liquids and / or surfaces. Analytes that are in the liquid and change their properties can thus also be detected.
  • FIG. 5 shows simplified designs of the devices according to the invention and the effects of meniscus formation in the case of light rays with small radii (a dotted line, FIGS. 5A, C and F) and large radii (two dotted lines, FIGS. 5B, D, E, G, H, I and J) on the beam path and the measurement signal (S) depending on location (r).
  • the location-dependent representation of the measurement signals is shown here only schematically and in a greatly simplified manner for illustration purposes.
  • the devices according to the invention are shown schematically on the basis of detector units 1, sample carriers 2 with side walls 3, which are covered by corresponding surfaces. chene properties, a transparent bottom 4 in these cases and a light source 5 not shown.
  • the light rays emanating from the light source 5 pass through the liquids 7, which all have the same volume, but are either planar. Form interfaces or menisci.
  • FIGS. 5A and B show the situation in measurements with a planar interface.
  • the layer thickness of the liquid in the center decreases in the case of a concave meniscus, so that in the case of this photometric measurement the signal, that is to say the intensity, increases in comparison with a planar interface. According to Bougner-Lambert-Beer law, this means a decrease in absorption (see also Figure ⁇ ).
  • FIG. 5D If, on the other hand, a light beam with a large radius is used, the light beam is mainly refracted (FIG. 5D). This reduces the signal, but extends over a wider area. If only one detector unit is considered, the decrease in the signal in photometric measurements leads to a decrease in intensity, which results in an increase in absorption (see also FIG. 7). The situation can be similar with luminometric measurements (FIG. 8).
  • convex menisci are formed, there is an increase in the layer thickness in the case of light rays with small radii compared to a planar interface, thus a reduction in the signal and finally an increase in absorption in the case of photometric measurements (FIG. 5G). Accordingly, a distinction can be made between concave and convex menisci.
  • FIG. 6 shows the result of tests in which aqueous solutions with different bovine hemoglobin concentrations of the same volumes were also used in conical sample carriers made of non-polar material identical dimensions and a diameter at the height of the meniscus formation of about 6 mm.
  • the solutions were measured photometrically at a wavelength of 977 nm. At this wavelength only water absorbs, not bovine hemoglobin. Light rays with radii in the micrometer range were irradiated in the center of the samples, so that refraction processes could be neglected.
  • a detector element with a constant distance from the sample carrier was used for detection.
  • the layer thickness is constant here and thus also the absorption from the bovine hemoglobin concentration.
  • the detection can also be carried out in an advantageous manner by means of corresponding optical lens systems, as shown by way of example in FIG. 10.
  • An optical lens or a lens system 9 can influence the signal by the movement according to double arrow 10 in space, possibly by changing refractive properties.
  • signals that can be used to detect or determine an analyte.
  • the possibility of varying the light beam radius by means of diaphragms, optical systems or “light guide arrays” has already been discussed in the description of FIG. 5.
  • FIG. 11 shows an example of how optical lenses or lens systems 11 can be used in a likewise advantageous manner when generating light beams. In the figures, attention was drawn to the representation of the refraction on planar surfaces.
  • FIGS. 12A and 12B The possibility of a scanning operation is shown in FIGS. 12A and 12B. This can be done from below ( Figure 12A).
  • a light beam with the smallest possible radius is preferably used here.
  • a translocation double arrow 13, line with long lines, FIG. 12A
  • line with short lines, FIG. 12A
  • the signal acquisition can be optimized. For example, the proportion of the reflection (thin dashed lines, FIG. 12A) can be recorded. If necessary, the detection of the scatter is also possible. If the light beam is irradiated from the side (FIG.
  • the total reflection can be used in particular (dotted line). Furthermore, a measurement with a defined layer thickness (dashed line) can be carried out, so that the concentration of a chromophore can be determined in a conventional manner. The proportion of meniscus formation in the measurement effect can thus be recorded independently of the absorption of the chromophore.
  • the determination can also be carried out by additionally carrying out the samples in cuvettes with defined layer thicknesses.
  • the possibility of rotating the light source 5 and the detector unit 1 in accordance with FIG. 13A such that, in addition to a vertical measurement, a horizontal measurement can also be carried out. It is of course also conceivable to provide a second light source 5 'and a second detector unit 1'.
  • a system of mirrors 14, as shown in FIG. 13B can be used.
  • Optical fiber systems can also be used instead of the mirror system.
  • FIG. 14 shows a system consisting of two liquids A and B which are immiscible with one another.
  • liquid B has a lower density than liquid A.
  • the formation of the interface liquid-gaseous liquid B can be planar, concave or convex depending on the test conditions. With a suitable combination, this can advantageously lead to a reduction or strengthening of the refraction, reflection and scattering effects and change in layer thickness.
  • a planar interface always occurs when the sample carrier is filled with liquid B exactly to the edge. If this limit is exceeded, a convex meniscus always forms until the fluid overflows.
  • the liquid B preferably has a correspondingly high boiling point, so that it can be used as an evaporation protection for the liquid A. Accordingly, measurements can also be carried out at high temperatures, which may even be above the boiling point of liquid A.
  • the use of further liquids is also conceivable. In a special embodiment, this can be used in a special way. This is shown in FIG. 15.
  • the formation of the phase boundary between liquid A and B can optionally also be used.
  • the devices are preferably with light guides or To provide "light guide arrays" which can be both light source 5 and detector 1. If a planar phase boundary is formed (FIG.
  • a light beam 6, starting from a specific light guide 16 can shine through the phase boundary or liquid C in order to then strike the opposite light guide element. If a weak meniscus forms, the light beam can in principle still reach the light guide opposite through total reflection within the phase boundary or within the liquid C. If the curvature of the meniscus increases, this is no longer possible. First there is refraction, then there is the total reflection shown in FIG. 15B. In order to determine this, it can be useful to also use detectors at the top and bottom.
  • detectors at these locations will be particularly important for luminometric measurements. Depending on the shape, planar, concave or convex, the phase boundary or liquid C, the distribution of the luminescence changes. This can be detected particularly well by detectors mounted above or below (see also FIG. 8).
  • an optical fiber or an “optical fiber array” only on one side, since the luminescence or the reflection can differ in the case of photometric determinations in the region of the liquid A, B and the phase boundary or liquid C.
  • the efficiency of the measurement can be improved with corresponding spectrophotometric and / or luminometric properties that are specifically in the phase boundary or in the liquids. It is also conceivable to use substances that act as fluorescence quencher in order to obtain optimal measurement signals.
  • the light beams of the respective light guide elements can be irradiated simultaneously or in succession and a scan can be carried out. It is also conceivable to replace at least one liquid with a gel or some other type of matrix.
  • FIG. 16 shows chamber systems which can be equipped with inflow and outflow systems 17, 18 for the liquid or the gas B and inflow and outflow systems 19, 20 for the liquid or the gas A. Constructions are also conceivable in which only one supply line is used as the inflow and outflow for the respective liquid or even for both. With the systems it is conceivable, for example, to vary volume ratios. For example, a method according to the invention can be helpful in which a liquid is initially wetted and then displaced from certain surface areas. Only through this procedure do menisci form in a certain way. The same can be done by shaking the sample carrier (FIG. 6). It may also make sense to adhere to certain incubation times or temperature conditions.
  • analyte in a first liquid to transfer an analyte in a first liquid to a sample carrier whose surface has been functionalized in such a way that it is highly affine for the analyte. If the binding of the analyte does not yet form a sufficient meniscus, the first liquid can be replaced by a second liquid, which forms a characteristic meniscus on the sample carrier surface in the presence of the analyte.
  • the "attaching" of the analytes to an optionally functionalized sample carrier surface can be carried out non-specifically via van der Waals and ionic interactions, but also via hydrogen bonds, coordinative or covalent bonds.
  • Another effect that can be exploited analytically is the concentration of analytes in the area of the minimum distance of a concave surface with respect to the bottom of the sample carrier.
  • a functionalization of the surface that is tailored to the analyte or a variation of the surface properties of the sample carrier are also conceivable here.
  • the variation of the liquid volume and thus the height of the liquid column can also be advantageously evaluated here.
  • the local concentration of charged analytes can also be done, for example, by electric fields.
  • the properties of the sample carrier surfaces, the liquids, gases and / or the analytes can be changed by using electrical fields be changed so that advantageous effects are achieved for measurements.
  • the use of time-dependent electrical potentials can be useful for the investigation of magnetic analytes or particles.
  • spark discharges enables quick reactions to be investigated. Accordingly, this can also be made possible by rapid pressure changes using the inflow and outflow systems.
  • analytes can be brought into the chamber in the flow using the inflow and outflow systems.
  • the volume of the liquids and / or gases can be kept constant. If the concentration of the analyte in a flowing liquid is kept constant, the analyte is bound to the sample carrier surface until a dynamic equilibrium is reached.
  • the association rate constant can be determined on the basis of the associated meniscus formation and signal change. If the liquid is rinsed without analyte, the time-dependent dissociation of the analyte from the sample carrier surface takes place. The dissociation rate constant can be determined accordingly. This enables the equilibrium constants of the association and dissociation to be calculated. Of course, the use of different analyte concentrations is also conceivable here. bar. These can then be determined based on the extent of the signal.
  • inflows and outflows 21, 22 in the sample holder which in this case has cavities, is also conceivable. Thereby thermostatting can take place.
  • a material exchange that can be measured can take place via permeable, in particular semipermeable membrane properties of the sample carrier surfaces of the side walls 3 and the bottom 4.
  • the sample container preferably has a radius of 2 mm to 3 mm, but reliable results can also be achieved with a radius of approximately 6 mm.
  • An analyte can be determined by adding a small volume or a small amount of analyte to an already existing solution (FIGS. 5A or B), which then makes it concave (FIGS. 5C, D or E) or convex (FIGS. 5F) to J) Form menisci.
  • Deviations due to absorption must be taken into account.
  • meniscus formation provides a characteristic signal distribution with respect to the radius (FIG. 5). This does not apply to absorption in this way.
  • the aim is preferably not to use the wavelengths at which the analyte absorbs, but rather another, inert substance or, preferably, the solvent (IR range for water). It is conceivable for an absorption measurement to be carried out separately or instead of horizontally in the same sample holder to take account of absorptions. The change in absorption can thus be recorded independently of the meniscus formation.
  • the decisive factor is the occurrence of effects that give signals that enable the detection or determination of analytes.
  • quantifications can be made using calibration series.

Abstract

The invention relates to a method and device for detecting an analyte in a sample holder (PT). According to the invention, at least one liquid is provided in the sample holder, and the analyte is contained in and/or on top of a liquid, gaseous or solid uptake medium. To this end, the geometric configuration of an interface of the liquid is used for detecting the analyte in the sample holder by optically measuring a measured value that is dependent on the shape of the interface.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM NACHWEIS EINES ANALYTEN IN EINEM PROBENTRAGER VE R FA H N RE AND VORR I AUTION FOR THE DETECTION OF AN ANALYTE IN A SAMPLE CARRIER
BesehreibungBesehreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten in einem Probenträger, wobei der Anal'yt gegebenenfalls in und/oder an einem flüssigen oder gasförmigen oder festen Aufnahmemedium enthalten ist unter Vorliegen mindestens einer Flüssigkeit.The invention relates to a method and an apparatus for detecting an analyte in a sample carrier, said Anal 'yt optionally in and / or on a liquid or gaseous or solid recording medium is contained under the existence of at least one liquid.
Spektrophotometrische und luminometrische Verfahren zur Bestimmung von Analyten auf der Basis von Ab- sorptions- und luminometrischen Eigenschaften der Analyten sind bereits bekannt. Des Weiteren werden in bekannter Weise Nachweisreaktionen ausgenutzt, um spektrophotometrische oder luminometrische Effekte zu erzielen, mit deren Hilfe die Analyten indirekt nachgewiesen werden können. Diese bekann- ten primären Nachweisverfahren sind verhältnismäßig kompliziert, aufwendig und teuer.Spectrophotometric and luminometric methods for the determination of analytes on the basis of absorption and luminometric properties of the analytes are already known. Furthermore, detection reactions are used in a known manner in order to achieve spectrophotometric or luminometric effects, with the aid of which the analytes can be detected indirectly. These known primary detection methods are relatively complicated, complex and expensive.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben bereitzustellen, welche einen alternativen Nachweis eines Analyten in einem Probenträger ermöglichen sollen, wobei gegebenenfalls lediglich sekundär die Spek- trophotometrie und/oder Luminometrie herangezogen werden soll.The object of the invention is to provide a method and a device for carrying out the same, which should enable an alternative detection of an analyte in a sample carrier, with the spectrophotometry and / or luminometry possibly only being used secondarily.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die geometrische Ausgestaltung einer Grenzfläche der Flüssigkeit zum Nachweis des Analyten im Probenträger mittels Messung eines von der Gestalt der Grenzfläche abhängigen Messwerts herangezogen wird.To solve the problem, a method is proposed with the features of claim 1 characterized in that the geometric configuration of an interface of the liquid is used to detect the analyte in the sample carrier by measuring a measurement value dependent on the shape of the interface.
Als zu analysierende Substanzen, Analyten, kommen nicht nur reine Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe in Frage. Es ist ebenfalls möglich, Substanzen, die sich in Gasen, Flüssigkeiten, an Feststoffen oder Grenzflächen befinden, qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Das Verfahren bietet dabei nicht nur die Möglichkeit, die Eigenschaften im Gleichgewicht befindlicher, statischer Systeme zu erfassen, sondern auch die Kinetik dynamischer Systeme zu verfolgen. Beispielsweise kann die Diffusion grenzflächenaktiver Komponenten beziehungsweise deren Bildung oder Veränderung bei Reaktionen erfasst werden. Des Weiteren kann die Bindung und/oder Reaktion von Komponenten von Gasen und/oder von Flüssigkeiten mit oberflächengebundenen Partnern detektiert werden. Außerdem sind Reaktionen, im Speziellen enzymatisch katalysierte Reaktionen, die in Flüssigkeiten, an Oberflächen oder Grenzflächen ablaufen, erfassbar. Es ist eben- falls denkbar, zwei oder mehr nicht mischbare Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte einzusetzen. Gegebenenfalls kann auch ein Gas im Mehrkomponentensystem gegenwärtig sein. Somit können Wechselwirkungen an den Grenzflächen, flüssig-flüssig, flüssig-fest, flüssig-gasförmig und fest-gasförmig, untersucht werden. Beispielsweise ist es denkbar, grenzflächenaktive Enzyme, wie Lipasen, zu untersuchen. Es ist auch möglich, Grenzflächenpoly eri- sationen zu verfolgen. Die Bestimmung erfolgt durch optische Systeme, so dass ergänzend beispielsweise spektrophotometrische und/oder luminometrische Techniken eingesetzt werden können.The substances to be analyzed, analytes, are not only pure gases, liquids or solids. It is also possible to determine qualitatively and / or quantitatively substances that are in gases, liquids, at solids or interfaces. The method not only offers the possibility to record the properties of static systems in equilibrium, but also to track the kinetics of dynamic systems. For example, the diffusion of surface-active components or their formation or change in reactions can be recorded. Furthermore, the binding and / or reaction of components of gases and / or liquids with surface-bound partners can be detected. In addition, reactions, in particular enzymatically catalyzed reactions that take place in liquids, at surfaces or interfaces, can be recorded. It is also conceivable to use two or more immiscible liquids with different densities. If necessary, a gas can also be present in the multi-component system. Interactions at the interfaces, liquid-liquid, liquid-solid, liquid-gaseous and solid-gaseous, can thus be investigated. For example, it is conceivable to investigate surface-active enzymes, such as lipases. It is also possible to erase interfacial to track stations. The determination is carried out by optical systems so that, for example, spectrophotometric and / or luminometric techniques can be used in addition.
Im Gegensatz zum Stand der Technik nutzt die Erfindung zur Bestimmung der Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und/oder Oberflächen somit nicht primär die spektrophotometrischen und/oder lu ino- metrischen Eigenschaften der Analyte beziehungs- weise der Nachweisreaktionen aus. Statt dessen bedient sie sich der geometrischen Ausgestaltung (beispielsweise in Form einer Meniskenbildung) einer Grenzfläche einer Flüssigkeit, die sich in einem Probenträger befindet.In contrast to the prior art, the invention does not primarily utilize the spectrophotometric and / or lu-geometric properties of the analytes or the detection reactions to determine the properties of gases, liquids and / or surfaces. Instead, it uses the geometrical configuration (for example in the form of a meniscus formation) of an interface of a liquid which is located in a sample carrier.
Menisken bilden sich in Abhängigkeit der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächen des verwendeten Probenträgersystems sowie der darin befindlichen Flüssigkeit (en) und/oder Gase. Diese Menisken führen zu lokalen Veränderungen der Höhe der Flüssigkeitssäule (n) und fungieren als optische Linsen. Unter Verwendung geeigneter Vorrichtungen kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens dies zur Bestimmung von Materialeigenschaften, im Besonderen der Polarität, von Flüssigkeiten und/oder Oberflächen und damit auch für den Nachweis von Analyten eingesetzt werden. Die Eigenschaften und/oder die Zusammensetzung von Gasen kann ebenfalls ermittelt werden.Menisci are formed depending on the physico-chemical properties of the surfaces of the sample carrier system used as well as the liquid (s) and / or gases contained therein. These menisci lead to local changes in the height of the liquid column (s) and act as optical lenses. Using suitable devices, the method according to the invention can be used to determine material properties, in particular polarity, of liquids and / or surfaces and thus also for the detection of analytes. The properties and / or the composition of gases can also be determined.
Herkömmliche, verhältnismäßig aufwendige Nachweis- reaktionen sind vorteilhafterweise nicht erforderlich. Es kann gegebenenfalls auf teure, analy- tenspezifische, humantoxische und umweltgefährdende Reagenzien verzichtet werden. Da zeit- und materialaufwendige Nachweisreaktionen nicht durchgeführt werden müssen, beschleunigt sich der Nach- weis, so dass Kosten weiter reduziert werden können. Außerdem stellt sich das Verfahren als äußerst flexibel und universell einsetzbar dar. Die Empfindlichkeit ist vorzugsweise sehr hoch, indem die Abmessungen der Probenträger klein gewählt werden, damit eine möglichst starke Meniskenbildung auftritt. Demnach werden vorzugsweise geringe Probenvolumina eingesetzt. Außerdem sind die Messeffekte bei sehr geringen Analytkonzentrationen am deutlichsten. Zudem ist eine Parallelisierung und Auto- matisierung möglich. Attraktiv ist die Erfindung insbesondere für den Bio-Chip- beziehungsweise Lab- on-a-Chip-Bereich. Das neue Verfahren ist demnach nicht nur für einen sogenannten "Low-Sample- Throughput", sondern im Besonderen auch für einen "High-Sample-Throughput" erfolgreich einsetzbar.Conventional, relatively complex detection reactions are advantageously not required. If necessary, it can be based on expensive, analytical specific, human-toxic and environmentally hazardous reagents. Since time-consuming and material-intensive detection reactions do not have to be carried out, the detection is accelerated, so that costs can be reduced further. In addition, the method is extremely flexible and can be used universally. The sensitivity is preferably very high by selecting the dimensions of the sample carriers to be small, so that the greatest possible meniscus formation occurs. Accordingly, small sample volumes are preferably used. In addition, the measurement effects are most evident at very low analyte concentrations. Parallelization and automation is also possible. The invention is particularly attractive for the bio-chip or lab-on-a-chip area. The new method can therefore not only be used successfully for a so-called "low sample throughput", but in particular also for a "high sample throughput".
Mit Vorteil wird der Analyt beziehungsweise die Flüssigkeit mit mindestens einem Lichtstrahl durchsetzt und eine von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängige Lichtintensität mittels einer Detektoreinheit zum Nachweis des Analyten im Probenträger ermittelt. Ein den Analyt beziehungsweise die Flüssigkeit durchsetzender Lichtstrahl eignet sich besonders zum Nachweis des Analyten, da sich eine mittels der Detektoreinheit präzise mess- bare Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit der geometrischen Ausgestaltung beispielsweise eines Meniskus einstellt, welche Rückschlüsse wenigstens auf die Existenz des Analyten im Proben- träger und gegebenenfalls eine qualitative Bestimmung und/oder Quantifizierung des Analyten zulassen.Advantageously, the analyte or the liquid is penetrated with at least one light beam and a light intensity dependent on the geometric configuration of the interface is determined by means of a detector unit for detecting the analyte in the sample carrier. A light beam passing through the analyte or the liquid is particularly suitable for the detection of the analyte, since a change in the light intensity, which can be measured precisely by means of the detector unit, occurs depending on the geometrical configuration of, for example, a meniscus, which draws conclusions at least on the existence of the analyte in the sample. carrier and if necessary allow a qualitative determination and / or quantification of the analyte.
Vorteilhafterweise erfolgt mittels der Detektorein- heit eine photometrische Messung oder eine luminometrische Messung. Sowohl eine photometrische als auch eine luminometrische Messung mittels der Detektoreinheit erlaubt einen reproduzierbaren und zuverlässigen Nachweis des Analyten in einem Pro- benträger, welche mit mindestens einem Lichtstrahl durchsetzt wird.A photometric measurement or a luminometric measurement is advantageously carried out by means of the detector unit. Both a photometric and a luminometric measurement by means of the detector unit permits reproducible and reliable detection of the analyte in a sample carrier, which is interspersed with at least one light beam.
Vorzugsweise wird die Detektoreinheit unter Veränderung des Abstands zur Grenzfläche bewegt. Hierdurch ist es möglich, nachzuweisen, ob ein sich an der Grenzfläche einstellende Meniskus in Bezug auf die Detektoreinheit konkav oder konvex ausgebildet ist.The detector unit is preferably moved while changing the distance to the interface. In this way it is possible to demonstrate whether a meniscus arising at the interface is concave or convex in relation to the detector unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird ein zwischen dem Meniskus und der Detektoreinheit angeordnetes optisches Linsensyste zur Messoptimierung bewegt. Dabei kann die Messung der Lichtintensität mittels der Detektoreinheit hinsichtlich der Messpräzision und/oder der Messfläche optimiert werden.According to a preferred embodiment variant, an optical lens system arranged between the meniscus and the detector unit is moved in order to optimize the measurement. The measurement of the light intensity by means of the detector unit can be optimized with regard to the measurement precision and / or the measurement area.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten in einem Probenträger vorgeschlagen, welche die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Probenträger zur Aufnahme eines gegebenen- falls in einem flüssigen, gasförmigen oder festen Aufnahmemedium enthaltenen Analyten unter Vorliegen einer Flüssigkeit mit einer Grenzfläche, eine Lichtquelle zur Abgabe mindestens eines den Analyten beziehungsweise die Flüssigkeit durchsetzenden Lichtstrahls und eine Detektoreinheit zur Ermittlung einer von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängigen Lichtintensität. Eine derart ausgebildete Vorrichtung eignet sich besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wo- bei vorteilhafterweise die Ausgestaltung des Probenträgers, der Detektoreinheit und/oder der Lichtquelle flexibel an den jeweils nachzuweisenden Analyten in einem Probenträger angepasst werden kann. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Detektor- einheit mit einer gekrümmten Detektoroberfläche zu versehen, zwischen Probenträger und Detektoreinheit ein zur Messoptimierung bewegbares Linsensystem vorzusehen und/oder die Detektoreinheit derart auszubilden, dass sie in Bezug auf den Probenträger mindestens einen frontalen Detektorabschnitt und/oder mindestens einen seitlichen Detektorabschnitt aufweist.To achieve the object, a device for detecting an analyte in a sample carrier is also proposed, which has the features of claim 9. The device according to the invention comprises a sample holder for holding a liquid, gaseous or solid, if necessary Recording medium contained analytes under the presence of a liquid with an interface, a light source for emitting at least one light beam passing through the analyte or the liquid and a detector unit for determining a light intensity dependent on the geometric configuration of the interface. A device designed in this way is particularly suitable for carrying out the method according to the invention, and advantageously the design of the sample holder, the detector unit and / or the light source can be flexibly adapted to the analytes to be detected in each case in a sample holder. It is possible, for example, to provide the detector unit with a curved detector surface, to provide a lens system that can be moved to optimize the measurement between the sample carrier and the detector unit and / or to design the detector unit such that it has at least one frontal detector section and / or at least with respect to the sample carrier has a side detector section.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.Further advantageous embodiments of the invention result from the description.
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below in several exemplary embodiments with the aid of an associated drawing. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; Figuren 2A, eine jeweils schematische Darstel2B, 3 lung physikalischer Effekte an einem Meniskus;Figure 1 is a schematic representation of a device according to the invention according to a first embodiment; FIGS. 2A, each a schematic representation 2B, 3 of physical effects on a meniscus;
Figuren eine jeweils schematische Darstel4A bis 4E lung von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln;Figures each a schematic representation 4A to 4E development of light beams with different angles of incidence;
Figuren eine jeweils schematische Darstel5A bis 5J lung unterschiedlicher Ausführungs- formen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise unterschiedlicher AusführungsVarianten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;FIGS. 5A to 5J each show schematic representations of different embodiments of a device according to the invention or different embodiments of a method according to the invention;
Figuren verschiedene Versuchsergebnisse in 6 bis 8 Diagrammform;Figures various test results in 6 to 8 diagram form;
Figur 9 das Ergebnis einer ortsabhängigen Signalauflösung in Abhängigkeit einer Detektorkrümmung in Diagrammform;FIG. 9 shows the result of a location-dependent signal resolution as a function of a detector curvature in diagram form;
Figur 10 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linsensystem;Figure 10 shows an inventive device with a lens system;
Figuren eine jeweils schematische DarstelILA, 11B lung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit planarer und mit gekrümmter Grenzfläche;Figures each a schematic representation ILA, 11B development of a device according to the invention with a planar and with a curved interface;
Figuren eine jeweils schematische Darstel12A, 12B lung verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Scaneinheit; Figuren eine jeweils schematische Darstel- 13A, 13B lung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Lichtquellen oder mit Spiegeln;Figures each a schematic representation 12A, 12B of different embodiments of the device according to the invention with a scanning unit; FIGS. 13A, 13B each show a schematic representation of the device according to the invention with a plurality of light sources or with mirrors;
Figur 14 eine schematische Darstellung einesFigure 14 is a schematic representation of a
Probenträgers mit zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten;Sample carrier with two different liquids;
Figuren eine jeweils schematische Darstel- 15A, 15B lung eines Probenträgers mit drei unterschiedlichen Flüssigkeiten undFIGS. 15A, 15B each show a schematic representation of a sample carrier with three different liquids and
Figuren eine jeweils schematische Darstel- 16A, 16B lung eines Probenträgers mit Zu- und Abflusssystemen .Figures each show a schematic representation 16A, 16B of a sample holder with inflow and outflow systems.
Die Grundzüge der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie Verfahren werden im Folgenden beispielhaft anhand des Einflusses kreisförmiger Menisken (M) bei vertikalen spektrophotometrischen Messungen von Flüssigkeiten in Probenträgern dargestellt (Figur 1 und 4) . Die erfindungsgemäße Anordnung eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Probenträgers (PT) in Bezug auf einen Lichtstrahl (L) und einer Detektoreinheit (D) ist in Figur 1 schematisch dargestellt (Detektorelemente DA, DB, Detc); (rD) Radius der Detektoreinheit; (rG) Grenzradius; (rL) Radius des Lichtstrahls, (rPT) Innenradius des Probenträgers (PT) ortsabhängiger Verlauf des Teillichtstrahls, beziehungsweise eines Photons mit der x-Ausgangs- koordinate (rP) ; (yD) Abstand der Detektoreinheit.The basic features of the devices and methods according to the invention are illustrated below using the influence of circular menisci (M) in vertical spectrophotometric measurements of liquids in sample carriers (FIGS. 1 and 4). The arrangement according to the invention of a sample holder (PT) filled with a liquid with respect to a light beam (L) and a detector unit (D) is shown schematically in FIG. 1 (detector elements D A , D B , D et c); (r D ) radius of the detector unit; (r G ) limit radius; (r L ) radius of the light beam, (r PT ) inner radius of the sample carrier (PT) location-dependent course of the partial light beam, or a photon with the x output coordinate (r P ); (y D ) Distance of the detector unit.
Die Detektoreinheit (D) besteht aus mindestens einem Detektorelement (DA) und ist im vorliegenden Beispiel mit drei Detektorelementen (DA, DB Dc) versehen. Vorzugsweise sind mehrere Detektorelemente mit jeweils möglichst kleinen Abmessungen, beispielsweise "Charge Coupled Device Detektoren", "Diodenarrays" und/oder Lichtleitersysteme beziehungsweise "Lichtleiterarrays", zu verwenden. Gegebenenfalls kann sich eine Detektoroptik zwischen der Flüssigkeit und der eigentlichen Detektoreinheit (D) befinden. Die Detektoroptik kann aus Lin- sen oder Linsensystemen sowie Filtern, beispielsweise Interferenzfilter, Polarisationsfiltern, etc. aufgebaut sein. Eine Einbeziehung von Gittersystem zur Spektralanalyse ist ebenfalls denkbar. Die pla- nare oder konkav beziehungsweise konvex gekrümmte Detektoreinheit kann in einem vorzugsweise variablen Winkel (ε, Figur 1) zum gegebenenfalls transparenten, vorzugsweise planaren Boden des Probenträgers angeordnet sein. Im Folgenden ist ε = 90° (Figur 1) . In Figur 1 besitzt der Probenträger eine zylindrische (φ = 90°) Symmetrie. Andere Messungen sind ebenfalls denkbar.The detector unit (D) consists of at least one detector element (D A ) and is present Example with three detector elements (D A , D B D c ). A plurality of detector elements, each with the smallest possible dimensions, for example "charge coupled device detectors", "diode arrays" and / or light guide systems or "light guide arrays", are preferably to be used. If necessary, detector optics can be located between the liquid and the actual detector unit (D). The detector optics can be constructed from lenses or lens systems and filters, for example interference filters, polarization filters, etc. The inclusion of a grating system for spectral analysis is also conceivable. The planar or concave or convex curved detector unit can be arranged at a preferably variable angle (ε, FIG. 1) to the optionally transparent, preferably planar bottom of the sample carrier. In the following ε = 90 ° (Figure 1). In Figure 1, the sample holder has a cylindrical (φ = 90 °) symmetry. Other measurements are also possible.
In Figur 1 ist der Ausgangspunkt des Lichtstrahls (Lichtquelle LQ) unter den Probenträger (PT) und die Position der Detektoreinheit (D) darüber ange- legt. Inverse oder andere Systeme sind ebenfalls denkbar. Die Lichtquelle (LQ) kann durch den Einsatz von Monochromatoren, beispielsweise Gitter oder entsprechende Filter sowie Polarisationsfiltern und Linsensystemen beziehungsweise Lichtlei- tern, Lichtstrahlen mit verschiedenen Eigenschaften zur Verfügung stellen. Werden beispielsweise ra- diärsymmetrisch zylindrische Lichtstrahlen sowie Probenträger und Detektoreinheiten verwendet, ist bei der x-Koordinate die Verwendung von Radien (r) bezogen auf die Symmetrieachse mit r = 0 sinnvoll. Die y-Koordinate umfasst die relevanten Bereiche der Flüssigkeitssäule im Probenträger als auch den Abstand der Detektoreinheit vom transparenten Boden des Probenträgers, der gleich Null gesetzt wird. Angaben der y-Koordinate, die sich auf die Flüssigkeitssäule beziehen, werden mit der Schichtdicke (d) beschrieben, ansonsten wird y verwendet. Mit der Linie 22 in Figur 1 ist eine planare Grenzfläche dargestellt, während die Linie 23 einen konkaven Meniskus zeigt.In Figure 1, the starting point of the light beam (light source LQ) is placed under the sample holder (PT) and the position of the detector unit (D) above it. Inverse or other systems are also conceivable. The light source (LQ) can provide light beams with different properties through the use of monochromators, for example gratings or corresponding filters as well as polarization filters and lens systems or light guides. If, for example, radially symmetrical cylindrical light beams as well as sample carriers and detector units are used, is for the x coordinate, the use of radii (r) in relation to the axis of symmetry with r = 0 makes sense. The y coordinate includes the relevant areas of the liquid column in the sample holder as well as the distance of the detector unit from the transparent bottom of the sample holder, which is set to zero. Information on the y coordinate that relates to the liquid column is described with the layer thickness (d), otherwise y is used. Line 22 in FIG. 1 shows a planar interface, while line 23 shows a concave meniscus.
Bei der Ausbildung von Menisken kommt es zu verschiedenen Effekten, die sich zwar gegenseitig be- dingen, aber im Folgenden getrennt voneinander beschrieben werden. Zum Einen ändert sich bei einem Meniskus die Schichtdicke der Flüssigkeit kontinuierlich in Abhängigkeit der Krümmung des Meniskus (Figur 2), zum Anderen kommt es an der gekrümmten Grenzfläche zur Brechung des Lichtes (Figur 3) . Dies macht den Linseneffekt eines Meniskus aus. Zudem kommt es zu einer Veränderung der Reflexion. Diese nimmt mit zunehmender Krümmung des Meniskus und dem Durchmesser des Lichtstrahls zu. Streu- effekte machen sich kaum bemerkbar. Des Weiteren spielt der Radius der Detektoreinheit (rD) beziehungsweise der Detektorelemente (rD,A,B,etc.) und dessen Abstand vom Meniskus beziehungsweise vom Probenträgerboden eine Rolle (Figur 4) . Um diesen Sach verhalt mathematisch zu erfassen, wird ein Lichtstrahl mit Radius (rL) in Teillichtstrahlen mit bestimmten Radien (rP) , unterteilt. Oberhalb eines bestimmten Grenzradius ' (rG) des Teillichtstrahls wird dieser aufgrund der Brechung das Detektorelement der Detektoreinheit mit Radius (rD) , welche näher bei x = 0 liegt, nicht mehr erreichen. Dies hat zur Folge, dass das Signal dieses Detektorele- ents abnimmt und somit die dort gemessene Intensität eines gebrochenen Lichtstrahls (1^), kleiner als die des gebrochenen Lichtstrahls (IB) oder des nicht gebrochenen Lichtstrahls (I) ist. Werden Reflexion und Streuung vernachlässigt, kann IB gleich I gesetzt werden. Bei IB und I handelt es sich jeweils um Intensitäten von Lichtstrahlen, die ein Medium bereits durchquert haben und somit von den Intensitäten der Lichtstrahlen zu unterscheiden sind, welche in das Medium eingestrahlt werden (ID).There are various effects in the formation of menisci, which are mutually dependent, but are described separately below. On the one hand, the layer thickness of the liquid in a meniscus changes continuously depending on the curvature of the meniscus (FIG. 2), on the other hand, the light is refracted at the curved interface (FIG. 3). This makes up the lens effect of a meniscus. There is also a change in reflection. This increases with increasing meniscus curvature and the diameter of the light beam. Scattering effects are hardly noticeable. Furthermore, the radius of the detector unit (r D ) or the detector elements (r D , A , B , etc.) and its distance from the meniscus or from the sample carrier bottom play a role (FIG. 4). In order to capture this fact mathematically, a light beam with radius (r L ) is divided into partial light beams with certain radii (r P ). Above a certain limit radius' (r G ) of the partial light beam due to the refraction, it will no longer reach the detector element of the detector unit with radius (r D ), which is closer to x = 0. The result of this is that the signal of this detector element decreases and the intensity of a refracted light beam (1 ^) measured there is less than that of the refracted light beam (I B ) or the unbroken light beam (I). If reflection and scatter are neglected, I B can be set equal to I. I B and I are intensities of light rays that have already passed through a medium and can therefore be distinguished from the intensities of the light rays that are radiated into the medium (I D ).
Zur weiteren Beschreibung der Erfindung am Beispiel des Einflusses kreisförmiger Menisken, bei vertikalen spektrophotometrischen Messungen von Flüssigkeiten in Probenträgern, wird die Bestimmung der Schichtdicke gesondert dargestellt. Die Schichtdicke kann über die Beschreibung der Krümmung des Meniskus erfasst werden. Diese Krümmung hängt überwiegend von den Eigenschaften der Flüssigkeiten und der Probenträgerwände sowie von der Gravitation ab. Beispielsweise sind bei der Bildung eines konkaven Meniskus die Adhäsionskräfte größer, als die Kohä- sionskräfte. Im Extremfall sind die Adhäsionskräfte so groß, dass die Flüssigkeit die Probenträgerwand fast vollständig benetzt und sie damit annähernd unter dem Winkel γ = 0 trifft. Ein entsprechend kleiner Probenträgerradius (r) kann daher eine beinahe halbkreisförmige Meniskenbildung ermöglichen (Figur 2A) . Der Wert für die Schichtdicke (d(M)) in Abhängigkeit des Meniskus bezogen auf r = 0 berechnet sich nach dem Satz des Pythagoras für einen konvexen Meniskus zu:To further describe the invention using the example of the influence of circular menisci, in vertical spectrophotometric measurements of liquids in sample carriers, the determination of the layer thickness is shown separately. The layer thickness can be determined from the description of the curvature of the meniscus. This curvature mainly depends on the properties of the liquids and the sample carrier walls as well as on the gravitation. For example, when a concave meniscus is formed, the adhesive forces are greater than the cohesive forces. In extreme cases, the adhesive forces are so great that the liquid almost completely wets the sample carrier wall and thus hits it approximately at the angle γ = 0. A correspondingly small sample carrier radius (r ? Τ ) can therefore enable an almost semicircular meniscus formation (FIG. 2A). The value for the layer thickness (d (M) ) depending on the meniscus based on r = 0 is calculated according to the Pythagorean theorem for a convex meniscus:
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
und für einen konkaven zu:and for a concave too:
! ' - ' r2+(rn-d.U))2=r?-- (2)! '-' r 2 + (r n -d. U) ) 2 = r? - (2)
Da die binomischen Formeln gleich sind, resultiert eine quadratische Gleichung, die folgende Lösung liefert:Since the binomial formulas are the same, a quadratic equation results, which provides the following solution:
d = r w/- <rrπ τrx (3)d = r w / - <rr π τr x (3)
Somit ergibt sich die Schichtdicke in Abhängigkeit des Radius (d(r)) an einem beliebigen Punkt (Z) auf einem konvexen Meniskus nach:The layer thickness depends on the radius (d (r) ) at any point (Z) on a convex meniscus:
dlr, = dr-0 ~ d(M) ' (4)d lr , = d r - 0 ~ d ( M ) '(4)
und bei einem konkaven Meniskus nach:and with a concave meniscus after:
d(r) = dr=o + d(M) . (5)d (r) = d r = o + d ( M ). (5)
Ferner berechnet sich die radiusabhängige Absorption (Abs-r)) bei spektrophotometrischen Messungen nach dem Bougner-Lambert-Beerschen Gesetz zu:Furthermore, the radius-dependent absorption (Abs- r )) is calculated for spectrophotometric measurements according to Bougner-Lambert-Beers law:
Abs(r, = ε-c"d(r). (β)Abs (r , = ε-c "d (r) . ( β )
Hierbei ist c die Konzentration des Chromophoren und ε dessen molarer, dekadischer Absorptionsko- effizien- bei einer bestimmten Wellenlänge. Als Chromophor kann der Analyt selbst, ein Reaktions- produkt, oder eine sonstige absorbierende Substanz, vorzugsweise jedoch eine Flüssigkeit dienen. In wässrigen Lösungen sind beispielsweise Messungen im infraroten Bereich vorteilhaft, da hier Wasser absorbiert. In Systemen mit mehreren Flüssigkeiten beziehungsweise auch mit einem Gas können die spektrophotometrischen Eigenschaften einer oder mehrerer Komponenten ausgenutzt werden. In der Re- gel wird der Winkel γ jedoch ungleich Null sein. Hierbei spielt die Wahl des Probenträgerradius' eine Rolle. Es bilden sich daher nicht nur halbkreisförmige Menisken, sondern auch lediglich kreisförmige Menisken aus. Daneben ist es denkbar, dass sich Menisken mit ortsabhängigen Meniskenradien (R(r)) ausbilden (Figur 2B) , die folgendermaßen beschrieben werden können:Here, c is the concentration of the chromophore and ε its molar, decadal absorption coefficient at a certain wavelength. As The analyte itself, a reaction product, or another absorbent substance, but preferably a liquid, can serve as a chromophore. In aqueous solutions, for example, measurements in the infrared range are advantageous because water absorbs them. In systems with several liquids or also with a gas, the spectrophotometric properties of one or more components can be used. As a rule, however, the angle γ will not be zero. The choice of the sample carrier radius plays a role here. Therefore, not only semicircular menisci are formed, but also circular menisci. In addition, it is conceivable that menisci with location-dependent meniscus radii (R ( r )) form (FIG. 2B), which can be described as follows:
Figure imgf000015_0001
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Beim Strahlengang muss hier berücksichtigt werden, dass kein Brennpunkt, sondern eine Brennwolke auftritt. In gewissen Grenzen kann dies jedoch vernachlässigt werden. Wird beispielsweise lediglich der Bereich des Meniskus betrachtet, der vom Lichtstrahl getroffen wird, kann diese lokale Gegeben- heit auch ein ortsunabhängiger Meniskenradius ausreichend beschreiben.With the beam path, it must be taken into account here that a focal cloud does not occur, but a focal cloud. However, this can be neglected within certain limits. If, for example, only the area of the meniscus that is struck by the light beam is considered, this local condition can also adequately describe a location-independent meniscus radius.
Um die Schichtdicke funktionsunabhängig in die Berechnung der Absorption einzubeziehen, kann ein Lösungsansatz über die Bestimmung der mittleren Schichtdicke (dm) verwendet werden. Für die Berechnung der mittleren Schichtdicke wird der Mittel- wertsatz der Integralrechnung herangezogen, mit dem sich folgendes ergibt:In order to include the layer thickness independently of the function in the calculation of the absorption, a solution can be used by determining the average layer thickness (d m ). To calculate the average layer thickness, the mean value of the integral calculation, with which the following results:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Analog gilt für die Betrachtung des Volumens unter Einbeziehung der Winkelfunktionen (χ=rcosφ; γ=rsinφ) :The following applies analogously to the consideration of the volume including the angle functions (χ = rcosφ; γ = rsinφ):
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0002
1. Fall; Grenzfall: rL = rPT; dm = dpG;1st case; Limit case: r L = r PT ; d m = d pG ;
2. Fall; Regelfall: rL < rPT; dm ≠ dpG.2nd case; As a rule: r L <r PT ; d m ≠ d pG .
Im Vergleich zu einer planaren Grenzfläche und deren Schichtdicke (dpG) haben Lichtstrahlen mit Radien, die kleiner als der Probenträgerradius sind, eine Veränderung der mittleren Schichtdicke zur Folge, sofern Reflexionserscheinungen am Pro- benträger vernachlässigt werden können. Nach dem Bougner-Lambert-Beerschen Gesetz:In comparison to a planar interface and its layer thickness (d pG ), light rays with radii that are smaller than the sample carrier radius result in a change in the average layer thickness, provided that reflection phenomena on the sample carrier can be neglected. According to the Bougner-Lambert-Beer law:
Abs = ε-c"dm, (10)Abs = ε-c "d m , (10)
ist das Messsignal, beispielsweise die Absorption, von Proben bei gleichen Volumina mit einer planaren Grenzfläche ungleich zu demjenigen mit einem Meniskus. Bei konkaven Menisken kommt es zu einer Erniedrigung des Messsignals, bei konvexen zu einer Erhöhung desselben. Es ist zu berücksichtigen, dass nur im Grenzfall beziehungsweise unter idealen Bedingungen ein sphärischer Meniskus, sei es ein halbkreisförmiger oder nicht, entsteht. Daher kann nur bei idealen Bedin- gungen von einem Brennpunkt gesprochen werden. Kommt es zu Abweichungen, handelt es sich um eine Brennpunktwolke. Der Einfachheit halber wurde bei den Darstellungen und Berechnungen von einem definierten Brennpunkt ausgegangen. Näherungsweise treffen die Berechnungen auch für eine Brennpunktwolke zu.is the measurement signal, for example the absorption, of samples at the same volume with a planar interface unlike that with a meniscus. With concave menisci, the measurement signal is lowered, with convex it increases. It must be taken into account that a spherical meniscus, be it a semicircular one or not, only arises in the limit case or under ideal conditions. It is therefore only possible to speak of a focal point under ideal conditions. If there are deviations, it is a focus cloud. For the sake of simplicity, a defined focus was assumed in the representations and calculations. Approximately, the calculations also apply to a focus cloud.
Außerdem ist es denkbar, dass lediglich der Bereich des Meniskus betrachtet wird, der vom Lichtstrahl getroffen wird. Näherungsweise, bei einem nicht zu großen Lichtstrahldurchmesser, kann hier lokal ein konstanter Meniskenradius definiert werden, so dass ein Brennpunkt berechnet werden kann.It is also conceivable that only the area of the meniscus that is struck by the light beam is considered. Approximately, if the light beam diameter is not too large, a constant meniscus radius can be defined locally so that a focal point can be calculated.
Neben der Schichtdickenänderung kann auch die Brechung des Lichtes analytisch ausgenutzt werden. Diese wird durch das Snelliussche Brechungsgesetz: sinör n2[Luft)In addition to the change in layer thickness, the refraction of the light can also be used analytically. This is determined by Snellius' law of refraction: sinör n 2 [Lu f t)
= n,= n,
R 1'2' (11) R 1 ' 2 ' (11)
beschrieben (Figur 3) . Beim Übergang eines Lichtstrahls vom Medium 1 (Flüssigkeit A) in ein Medium 2 (Luft, andere Gase oder eine Flüssigkeit B, die mit Flüssigkeit A nicht mischbar ist) ist der Quotient der Sinuswerte von Einfallswinkel (α) und Brechungswinkel (ß) gleich dem umgekehrten Verhältnis der absoluten Brechungsindices (n) beider Me¬ dien. In der Regel wird der Brechungsindex (nι#2) von Stoffen gegenüber Luft angegeben. n1/2 ist nicht nur vom Medium selbst abhängig, sondern auch von der Wellenlänge des betreffenden Lichtes. Diese sogenannte Dispersion wird empirisch ermittelt. Bei einer definierten Wellenlänge kann demnach der Bre- chungswinkel über den Einfallswinkel berechnet werden. Da der Einfallswinkel von der Tangentensteigung am Meniskus abhängig ist, kann die Brechung des Lichtes in Abhängigkeit des Meniskus über die Abhängigkeit der Tangentensteigung des Meniskus (m.τM(r)) nach:described (Figure 3). When a light beam passes from medium 1 (liquid A) to medium 2 (air, other gases or a liquid B that is not miscible with liquid A), the quotient of the sine values of angle of incidence (α) and angle of refraction (ß) is equal to that inverse ratio of the absolute refractive indices (n) of both media . As a rule, the refractive index (nι # 2 ) of substances compared to air is given. n 1/2 is not depends only on the medium itself, but also on the wavelength of the light in question. This so-called dispersion is determined empirically. At a defined wavelength, the angle of refraction can therefore be calculated using the angle of incidence. Since the angle of incidence is dependent on the tangent slope at the meniscus, the refraction of the light depending on the meniscus can be determined by the dependence of the tangent slope on the meniscus (m.τM (r)) according to:
Figure imgf000018_0001
ermittelt werden.
Figure imgf000018_0001
be determined.
Die Intensität (ID) , die an der Detektoreinheit gemessen wird, ergibt sich aus dem dort erzeugten Signal, beispielsweise der Spannung (U) , die von der Intensität des Lichtes, das heißt von der Anzahl der einfallenden Photonen und ihrer Energie, abhängt (Figur 4) . Um diesen Sachverhalt zu beschreiben, wird die x-Koordinate (rPD) eines Teil- lichtstrahls, der auf die Detektoreinheit trifft, mit der x-Ausgangskoordinate des Teillichtstrahls (rP) , dem Abstand zwischen der Detektoreinheit und der Meniskusoberfläche (yD-d(M)) sowie dem Einfallsund Brechungswinkel folgendermaßen ermittelt (Figur 3) :The intensity (I D ) measured at the detector unit results from the signal generated there, for example the voltage (U), which depends on the intensity of the light, i.e. on the number of incident photons and their energy ( Figure 4). To describe this fact, the x coordinate (r PD ) of a partial light beam that strikes the detector unit is compared with the x output coordinate of the partial light beam (r P ), the distance between the detector unit and the meniscus surface (y D - d ( M)) and the angle of incidence and refraction are determined as follows (FIG. 3):
r p, Dir- = rP + (yD - dm )tan( ß - a) ; ( 13)r p, Dir - = r P + (y D - d m ) tan (ß - a); (13)
Fall: τPDirp) ≤ rDA , der Teillichtstrahl trifft die Detektoreinheit beziehungsweise das Detektor- element DA (Figur 4B und C),Case: τ PDirp) ≤ r DA , the partial light beam hits the detector unit or the detector element D A (FIGS. 4B and C),
Die am Detektorelement DA gemessene Intensität eines gebrochenen Lichtstrahls (1°) entspricht da- mit der Intensität eines gebrochenen LichtstrahlsThe intensity of a refracted light beam (1 °) measured at the detector element D A thus corresponds to the intensity of a refracted light beam
(IB) sowie der eines nicht gebrochenen Lichtstrahls(I B ) and that of an unbroken light beam
(I) : i ι D B = ιB = i;(I): i ι D B = ι B = i;
2. Fall: r PD { rp ) > r D A , der Teillichtstrahl trifft das Detektorelement DA nicht (Figur 4D und E) ,2nd case: r PD {rp) > r DA , the partial light beam does not hit the detector element D A (FIGS. 4D and E),
±B<IB = I; entsprechend nimmt die Intensität an einem benachbarten Detektor- element zu.± B <IB = I; the intensity at an adjacent detector element increases accordingly.
Um die Abhängigkeit der an der Detektoreinheit beziehungsweise den Detektorelementen gemessenen Intensität eines gebrochenen Lichtstrahls genauer zu untersuchen, wird die Photonendichte (Pd) einge- führt. Die Photonendichte eines Lichtstrahls wird in Photonen pro Fläche (A) und Zeit (t) ausgedrückt :In order to examine the dependence of the intensity of a refracted light beam measured on the detector unit or the detector elements more precisely, the photon density (Pd) is introduced. The photon density of a light beam is expressed in photons per area (A) and time (t):
Pd = — . (14)Pd = -. (14)
A - tA - t
Da das Zeitintervall der Messung durch die erfin- dungsgemäße Vorrichtung vorgegeben und nicht durch die Brechung beeinflusst wird, wird diese Gleichung auf: Pd = A - ( 15 ) Since the time interval of the measurement is predetermined by the device according to the invention and is not influenced by the refraction, this equation is based on: Pd = A - ( 15 )
reduziert. Unter der Annahme, dass bei einem gebrochenen Lichtstrahl die Photonendichte qμadratisch mit dem Abstand, beispielsweise ausgehend von einem virtuellen oder realen Brennpunkt (Bv, Br) (Figur 4D und E) , abnimmt, ergibt sich folgender Zusammenhang (Figur 4A) :reduced. Assuming that in the case of a refracted light beam the photon density decreases qμadratically with the distance, for example starting from a virtual or real focal point (B v , B r ) (FIGS. 4D and E), the following relationship results (FIG. 4A):
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
Darum gilt für die Photonendichte auf der Höhe yD der Detektoreinheit (PyD/AyD) bezogen auf die Photonendichte des aus der Flüssigkeit austretenden Lichtstrahls (P^/Am) mit der mittleren Schichtdicke (d :Therefore, the following applies to the photon density at the height y D of the detector unit (P yD / Ay D ) based on the photon density of the light beam emerging from the liquid (P ^ / A m ) with the average layer thickness (d:
Figure imgf000020_0002
Mit der Photonendichte des in das Medium eintretenden Lichtstrahls P0/Ao, ergibt sich für PyD/AyD:
Figure imgf000020_0002
With the photon density of the light beam P 0 / Ao entering the medium, the following results for P yD / A yD :
Figure imgf000020_0003
Figure imgf000020_0003
Da die Photonendichte bei yD für den Lichtstrahlkegel und die Detektoreinheit (P°/A°D) gleich ist, gilt:Since the photon density at y D is the same for the light beam cone and the detector unit (P ° / A ° D ), the following applies:
AD pD. -_ p - -H- . ( 1 9 ] A D pD. -_ p - -H-. (1 9]
™-ya™ -ya
Demzufolge gilt für die Intensität eines gebrochenen Lichtstrahls an der Detektoreinheit beziehungsweise einem Detektorelement (7°) bei Radiärsym- metrie:Accordingly, the following applies to the intensity of a refracted light beam at the detector unit or a detector element (7 °) in the case of radial symmetry:
Figure imgf000020_0004
Hieraus ergibt sich am Detektorelement DA (Figur 4) mit: .
Figure imgf000020_0004
This results in the detector element D A (FIG. 4) with:.
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
1. Fall: r„. <rv,;7 =7B=7;1st case: r „ . <r v, ; 7 = 7 B = 7;
2. Fall: ryo > yoλ ' B < - 1 '« entsprechend nimmt die Intensität an einem benachbarten Detektorelement zu.2nd case: r yo > yoλ ' B <- 1' «, the intensity at an adjacent detector element increases accordingly.
Für die Absorption bedeutet dies für das Detektorelement (DA) im zweiten Fall eine Zunahme nach:For the absorption, this means an increase for the detector element (D A ) in the second case after:
Abs = log10 -^ < lθg10 -^ = log10- . (21Abs = log 10 - ^ <lθg 10 - ^ = log 10 -. (21
B BB B
Aufgrund des quadratischen Zusammenhangs wird sich dies entsprechend stark bemerkbar machen. Das Auftreten von Reflexion führt mit zunehmender Krümmung des Meniskus sowie steigendem Lichtstrahldurchm.es- ser ebenfalls zu einer Abnahme des Messsignals. Veränderungen der Schichtdicke werden unter diesem Aspekt nur bei geringen Lichtstrahldurchmessern exakt erfasst werden können. Die Auswirkungen der Streuung werden sich in diesem Rahmen kaum be erk- bar machen.Due to the quadratic connection, this will be very noticeable. The occurrence of reflection also leads to a decrease in the measurement signal with increasing curvature of the meniscus and increasing light beam diameter. From this point of view, changes in the layer thickness can only be detected precisely with small light beam diameters. The effects of scattering will hardly be noticeable in this context.
Eine weitere Möglichkeit, den Sachverhalt der Auswirkungen der Brechung mathematisch zu . fassen, liegt in der Berechnung der Fläche des Lichtstrahlkegels (AyDV-Another way to mathematically understand the facts of the effects of refraction. lies in the calculation of the area of the light beam cone (A yD V-
A,o =]]dxdy (22) und der an der Detektoreinheit beziehungsweise den Detektorelementen gemessenen Photonendichte eines gebrochenen Lichtstrahls (Pd ) , anhand :A, o =]] dxdy (22) and the photon density of a refracted light beam (Pd) measured on the detector unit or the detector elements, using:
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0001
Da es sich jeweils um Kreisflächen handelt, gilt auch hier:Since these are circular areas, the following also applies here:
ryor yo
A yD = l \ r LdrLdφ ≡ πr A yD = l \ r L dr L dφ ≡ πr
0 rvl (24 )0 r vl (24)
Pds = - - - ( 25 )
Figure imgf000022_0002
Pd s = - - - (25)
Figure imgf000022_0002
Somit kann gezeigt werden, dass das erfindungsge- mäße Verfahren und die dafür notwendige, erfin- dύngsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Flüssigkeiten und/oder Oberflächen geeignet ist. Analyte, die sich in der Flüssigkeit befinden und deren Eigenschaften verändern, können somit auch nachgewiesen werden.It can thus be shown that the method according to the invention and the device according to the invention necessary therefor are suitable for determining the properties of liquids and / or surfaces. Analytes that are in the liquid and change their properties can thus also be detected.
In Figur 5 sind vereinfachte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie die Auswirkungen der Meniskenbildung bei Lichtstrahlen mit kleinen Radien (eine gepunktete Linie, Figur 5A, C und F) und großen Radien (zwei gepunktete Linien, Figur 5B, D, E, G, H, I und J) auf den Strahlengang und das Messsignal (S) ortabhängig (r) dargestellt. Die ortsabhängige Darstellung der Messsignale ist hier zur Veranschaulichung lediglich schematisch und stark vereinfacht dargestellt.FIG. 5 shows simplified designs of the devices according to the invention and the effects of meniscus formation in the case of light rays with small radii (a dotted line, FIGS. 5A, C and F) and large radii (two dotted lines, FIGS. 5B, D, E, G, H, I and J) on the beam path and the measurement signal (S) depending on location (r). The location-dependent representation of the measurement signals is shown here only schematically and in a greatly simplified manner for illustration purposes.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind schematisch anhand Detektoreinheiten 1, Probenträgern 2 mit Seitenwänden 3, die über entsprechende Oberflä- cheneigenschaften verfügen, einen in diesen Fällen transparenten Boden 4 und einer nicht näher definierten Lichtquelle 5 dargestellt. Die von der Lichtquelle 5 ausgehenden Lichtstrahlen durchqueren die Flüssigkeiten 7, welche alle dasselbe Volumen besitzen, aber entweder planare. Grenzflächen oder Menisken ausbilden.The devices according to the invention are shown schematically on the basis of detector units 1, sample carriers 2 with side walls 3, which are covered by corresponding surfaces. chene properties, a transparent bottom 4 in these cases and a light source 5 not shown. The light rays emanating from the light source 5 pass through the liquids 7, which all have the same volume, but are either planar. Form interfaces or menisci.
In Figur 5A und B ist der Sachverhalt bei Messungen mit einer planaren Grenzfläche dargestellt. Es er- geben sich lokal definierte Signale mit entsprechendem Ausmaß beziehungsweise Intensität in Abhängigkeit des verwendeten Lichtstrahls. Kommt es zur Ausbildung eines konkaven Meniskus (Figuren 5C, D und E) , wird ein zentrierter Lichtstrahl mit klei- nem Radius (Figur 5C) im Idealfall nicht gebrochen. Die Schichtdicke der Flüssigkeit im Zentrum nimmt bei einem konkaven Meniskus ab, so dass im Falle dieser photometrischen Messung das Signal, das heißt die Intensität, im Vergleich zu einer plana- ren Grenzfläche zunimmt. Für die Absorption bedeutet dies nach dem Bougner-Lambert-Beerschen Gesetz eine Abnahme (siehe auch Figur β) .FIGS. 5A and B show the situation in measurements with a planar interface. There are locally defined signals with a corresponding extent or intensity depending on the light beam used. If a concave meniscus is formed (FIGS. 5C, D and E), a centered light beam with a small radius (FIG. 5C) is ideally not refracted. The layer thickness of the liquid in the center decreases in the case of a concave meniscus, so that in the case of this photometric measurement the signal, that is to say the intensity, increases in comparison with a planar interface. According to Bougner-Lambert-Beer law, this means a decrease in absorption (see also Figure β).
Wird hingegen ein Lichtstrahl mit einem großen Radius verwendet, kommt es überwiegend zu einer Bre- chung des Lichtstrahls (Figur 5D) . Damit verringert sich das Signal, erstreckt sich allerdings über einen weiteren Bereich. Wird nur eine Detektoreinheit betrachtet, führt die Abnahme des Signals bei photometrischen Messungen zu einer Intensitätsab- nähme, die eine Absorptionszunähme nach sich zieht (siehe auch Figur 7) . Ähnlich kann es sich bei lu- minometrischen Messungen verhalten (Figur 8) . Um Reflexionserscheinungen am Probenträger zu verhindern, kann es sinnvoll sein, den Probenträger entsprechend geometrisch zu gestalten. Beispielsweise kann eine kegelförmige Geometrie sinnvoll sein (Figur 5E) . Es ist ebenfalls denkbar, planare oder annähernd planare Probenträger einzusetzen (Figur 5F) . Außerdem kann es von Vorteil sein, Materialien einzusetzen, die Reflexionserscheinungen minimieren. Des Weiteren kann durch die Wahl ent- sprechender Flüssigkeitsvolumina eine Füllhöhe erreicht werden, die die Gefahr von Reflexionserscheinungen vermindert.If, on the other hand, a light beam with a large radius is used, the light beam is mainly refracted (FIG. 5D). This reduces the signal, but extends over a wider area. If only one detector unit is considered, the decrease in the signal in photometric measurements leads to a decrease in intensity, which results in an increase in absorption (see also FIG. 7). The situation can be similar with luminometric measurements (FIG. 8). In order to prevent reflection on the sample carrier, it can be useful to design the sample carrier accordingly. For example, a conical geometry can be useful (FIG. 5E). It is also conceivable to use planar or approximately planar sample carriers (FIG. 5F). It can also be advantageous to use materials that minimize reflections. Furthermore, by choosing the appropriate liquid volumes, a fill level can be achieved which reduces the risk of reflection.
Werden konvexe Menisken gebildet, kommt es bei Lichtstrahlen mit kleinen Radien im Vergleich zu einer planaren Grenzfläche zu einer Erhöhung der Schichtdicke, damit zu einer Reduktion des Signals und schließlich bei photometrischen Messungen zu einem Anstieg der Absorption (Figur 5G) . Entsprechend kann zwischen konkaven und konvexen Menisken unterschieden werden.If convex menisci are formed, there is an increase in the layer thickness in the case of light rays with small radii compared to a planar interface, thus a reduction in the signal and finally an increase in absorption in the case of photometric measurements (FIG. 5G). Accordingly, a distinction can be made between concave and convex menisci.
Bei der Verwendung von Lichtstrahlen mit großen Radien kann dies durch die Veränderung des Abstandes der Detektoreinheit zum Probenträger beziehungsweise zur Oberfläche der Flüssigkeit erfolgen (Fi- guren 5G, H und I) . Konkave Menisken führen zu einer anderen Abhängigkeit der Signalidentitätsverteilung vom Abstand als konvexe Menisken.When using light rays with large radii, this can be done by changing the distance of the detector unit from the sample carrier or from the surface of the liquid (Figures 5G, H and I). Concave menisci lead to a different dependence of the signal identity distribution on the distance than convex menisci.
Figur 6 zeigt das Ergebnis von Versuchen, bei denen wässrige Lösungen mit unterschiedlichen Rinderhä- moglobinkonzentrationen gleicher Volumina in kegelförmigen Probenträgern aus unpolarem Material mit identischen Abmessungen und einem Durchmesser auf Höhe der Meniskenbildung von circa 6 mm verbracht wurden. Die Lösungen wurden photometrisch bei einer Wellenlänge von 977 nm vermessen. Bei dieser Wel- lenlänge absorbiert lediglich Wasser, nicht Rinderhämoglobin. Es wurden Lichtstrahlen mit Radien im Mikrometerbereich mittig in die Proben eingestrahlt, so dass Brechungsvorgänge vernachlässigt werden konnten. Zur Detektion wurde ein Detektor- element mit konstantem Abstand vom Probenträger verwendet .FIG. 6 shows the result of tests in which aqueous solutions with different bovine hemoglobin concentrations of the same volumes were also used in conical sample carriers made of non-polar material identical dimensions and a diameter at the height of the meniscus formation of about 6 mm. The solutions were measured photometrically at a wavelength of 977 nm. At this wavelength only water absorbs, not bovine hemoglobin. Light rays with radii in the micrometer range were irradiated in the center of the samples, so that refraction processes could be neglected. A detector element with a constant distance from the sample carrier was used for detection.
Die mit der Rinderhämoglobinkonzentration bis zu einem Maximum zunehmende, konkave Meniskenbildung war so nicht zu erwarten. Überraschenderweise la- gerte sich offensichtlich Rinderhämoglobin an die unpolare Oberfläche des Probenträgers und erhöhte damit die Polarität der Oberfläche des Probenträgers, wodurch die Adhäsionskräfte zunahmen. Unerwartet war auch die sehr deutliche Abnahme der Schichtdicke, die sich in einer signifikanten Reduktion der Absorption wiederspiegelte (siehe auch Figur 5C) . Proben, die kurz vor der Messung stark geschüttelt wurden (o) , lieferten überraschenderweise andere Daten, als Proben, die nach dem Schüt- teln noch eine gewisse Zeit bei Raumtemperatur inkubiert wurden ( Q ) . Zum Vergleich wurden Proben in Küvetten (Δ) vermessen, die das Ausbilden von Menisken unterdrücken.The concave meniscus formation, which increased to a maximum with the bovine hemoglobin concentration, was not to be expected in this way. Surprisingly, bovine hemoglobin obviously deposited on the non-polar surface of the sample carrier and thus increased the polarity of the surface of the sample carrier, which increased the adhesive forces. The very significant decrease in layer thickness, which was reflected in a significant reduction in absorption, was also unexpected (see also FIG. 5C). Samples that were shaken vigorously shortly before the measurement (o) surprisingly provided different data than samples that were incubated at room temperature for a while after shaking (Q). For comparison, samples were measured in cuvettes (Δ) that suppress the formation of menisci.
Die Schichtdicke ist hier konstant und damit auch die Absorption von der Rinderhämoglobinkonzentration. Die Deutlichkeit des Effektes, im Besonderen bei extrem niedrigen Rinderhämoglobinkonzentratio- nen, verdeutlicht die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens.The layer thickness is constant here and thus also the absorption from the bovine hemoglobin concentration. The clarity of the effect, especially with extremely low bovine hemoglobin concentration NEN, illustrates the effectiveness of the method according to the invention.
Bei den Versuchen gemäß Figur 7 wurde wie bei dem in Figur 6 dargestellten Versuch verfahren. Aller- dings wurde hier eine Humanhämoglobinbestimmung nach Drabkin (Drabkin und Austin, J. Biol. Chem., 98, 719, 1932) durchgeführt. Zur Messung wurde ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 540 um und einem Radius von etwa 2 mm eingesetzt.In the experiments according to FIG. 7, the procedure was as in the experiment shown in FIG. 6. However, a human hemoglobin determination according to Drabkin (Drabkin and Austin, J. Biol. Chem., 98, 719, 1932) was carried out here. A light beam with a wavelength of 540 µm and a radius of about 2 mm was used for the measurement.
Die Absorption stieg mit zunehmender Humanhämoglobinkonzentration bei der Verwendung von Küvetten (B) mehr oder minder linear an. Im Gegensatz hierzu lieferte die Verwendung des innovativen Systems (•) eine dihyperbole Kurve mit deutlich erhöhter Empfindlichkeit.The absorption increased more or less linearly with increasing human hemoglobin concentration when using cuvettes (B). In contrast, the use of the innovative system (•) provided a dihyperbolic curve with significantly increased sensitivity.
Ab einer bestimmten Hämoglobinkonzentration wurden die Steigungen der beiden Kurven vergleichbar, so dass der Beitrag des Chromophoren unter Berücksichtigung der Veränderung der Schichtdicke ermittelt werden kann.From a certain hemoglobin concentration, the slopes of the two curves were comparable, so that the contribution of the chromophore can be determined taking into account the change in the layer thickness.
Mit einer weiteren analogen Versuchsanordnung zeigte sich gemäß Figur 8, dass die von der Analy- tenkonzentration abhängige Meniskenbildung auch mittels einer luminometrischen Messung ausgewertet werden kann. Hierzu wurde ' die Fluoreszenz von Schweineherzdiaphorase bei 365 n angeregt.According to FIG. 8, another analog test arrangement showed that the meniscus formation, which is dependent on the analyte concentration, can also be evaluated by means of a luminometric measurement. For this, the fluorescence of Schweineherzdiaphorase at 365 n was "excited.
Mit dem erfindungsgemäßen System (o) ergab sich ein annähernd dihyperboler Verlauf, im Gegensatz zu den Versuchen, bei denen Küvetten ( CD ) verwendet wur- den. Hier zeigte sich ein linearer Zusammenhang. Die relative Fluoreszenz ergab sich aus der Integration über eine definierte Kreisfläche der Probenträger von etwa 4 mm.With the system (o) according to the invention, there was an approximately dihyperbolic course, in contrast to the experiments in which cuvettes (CD) were used. A linear relationship was shown here. The relative fluorescence resulted from the integration over a defined circular area of the sample carrier of approximately 4 mm.
In Figur 9 wird deutlich, dass es von Vorteil sein kann, gekrümmte Detektoren (Dι,5) , beispielsweise ein "Charge Coupled Device", ein "Diodenarray" oder vorzugsweise ein "Lichtleiterarray", einzusetzen. Die ortsabhängige Auflösung der Signale bei gekrümmter Detektorgeometrie unterscheiden sich von einem planaren Detektor (D3) . Dies kann vorteilhaft ausgenutzt werden. Es ist ebenfalls denkbar, einen planaren Detektor um einen bestimmten Winkel εIn Figure 9 it is clear that it can be advantageous to use curved detectors (Dι, 5 ), for example a "Charge Coupled Device", a "diode array" or preferably a "light guide array". The location-dependent resolution of the signals with a curved detector geometry differ from a planar detector (D 3 ). This can be used to advantage. It is also conceivable to use a planar detector by a certain angle ε
(D2/4) (siehe auch Figur 1) zu neigen, um ihn dann rotieren zu lassen. Demnach ist es auch denkbar, einen Detektor einzusetzen, dessen Detektorelemente nicht flächig, sondern lediglich linienförmig aneinandergereiht sind. In Konsequenz kann ebenfalls ein einziges Detektorelement in einem entsprechenden, räumlichen Scanbetrieb eingesetzt werden.(D 2/4 ) (see also Figure 1) to then rotate it. Accordingly, it is also conceivable to use a detector, the detector elements of which are not strung together but only in a line. As a consequence, a single detector element can also be used in a corresponding, spatial scanning operation.
Aber auch durch entsprechende optische Linsensysteme, wie beispielhaft in Figur 10 dargestellt, kann die Detektion in einer vorteilhaften Weise erfolgen. Eine optische Linse oder ein Linsensystem 9 kann durch die Bewegung gemäß Doppelpfeil 10 im Raum, gegebenenfalls durch Änderung von Brechungseigenschaften, das Signal beeinflussen. In Abhängigkeit des Meniskus und der Änderung des Linsensystems ergeben sich definierte Signale, die zum Nachweis beziehungsweise zur Bestimmung eines Ana- lyten herangezogen werden können. Auf die Variationsmöglichkeit des Lichtstrahlradius durch Blenden, optische Systeme oder "Lichtleiterarrays" wurde bereits in der Beschreibung der Figur 5 eingegangen. In Figur 11 ist beispielhaft darge- stellt, wie optische Linsen beziehungsweise Linsensysteme 11 in einer ebenfalls vorteilhaften Weise bei der Generierung von Lichtstrahlen eingesetzt werden können. In den Abbildungen wurde auf die Darstellung der Brechung an planaren Flächen ver- ziehtet. Wird die Position des Brennpunktes in einem System variiert (Doppelpfeil 12; gepunktete und gestrichelte Linien) , ergeben sich bei einer planaren Grenzfläche (Figur 11A) andere Brechungseigenschaften als bei einer gekrümmten Grenzfläche (Figur 11B) . Entsprechend sind die Signale unterschiedlich, so dass ein Analyt auch auf diesem Wege detektiert werden kann.However, the detection can also be carried out in an advantageous manner by means of corresponding optical lens systems, as shown by way of example in FIG. 10. An optical lens or a lens system 9 can influence the signal by the movement according to double arrow 10 in space, possibly by changing refractive properties. Depending on the meniscus and the change in the lens system, there are defined signals that can be used to detect or determine an analyte. The possibility of varying the light beam radius by means of diaphragms, optical systems or “light guide arrays” has already been discussed in the description of FIG. 5. FIG. 11 shows an example of how optical lenses or lens systems 11 can be used in a likewise advantageous manner when generating light beams. In the figures, attention was drawn to the representation of the refraction on planar surfaces. If the position of the focal point is varied in a system (double arrow 12; dotted and dashed lines), different refractive properties result with a planar interface (FIG. 11A) than with a curved interface (FIG. 11B). The signals are correspondingly different, so that an analyte can also be detected in this way.
In den Figuren 12A und 12B ist die Möglichkeit eines Scanbetriebs dargestellt. Dieser kann von unten (Figur 12A) erfolgen. Vorzugsweise wird hier ein Lichtstrahl mit einem möglichst geringen Radius eingesetzt. Bezüglich einer zentrierten Position (gepunktete Linie, Figur 12A) liefert eine Translo- kation (Doppelpfeil 13, Linie mit langen Strichen, Figur 12A) und/oder die Variation des Winkels δ (Linie mit kurzen Strichen, Figur 12A) bestimmte Signale in Abhängigkeit des Meniskus. Wird der Probenträger von Detektorsystemen 1 umschlossen, kann die Signalerfassung optimiert werden. Beispiels- weise kann der Anteil der Reflexion (dünn gestrichelte Linien, Figur 12A) erfasst werden. Gegebenenfalls ist die Detektion der Streuung ebenfalls möglich. Wird der Lichtstrahl seitlich eingestrahlt (Figur 12B) , kann im Besonderen die Totalreflexion ausgenutzt werden (gepunktete Linie) . Des Weiteren kann eine Messung mit definierter Schichtdicke (ge- strichelte Linie) erfolgen, so dass die Konzentration eines Chromophoren auf herkömmliche Weise ermittelt werden kann. Damit kann der Anteil der Meniskenbildung am Messeffekt unabhängig von der Absorption des Chromophoren erfasst werden.The possibility of a scanning operation is shown in FIGS. 12A and 12B. This can be done from below (Figure 12A). A light beam with the smallest possible radius is preferably used here. With regard to a centered position (dotted line, FIG. 12A), a translocation (double arrow 13, line with long lines, FIG. 12A) and / or the variation of the angle δ (line with short lines, FIG. 12A) provides certain signals depending on the Meniscus. If the sample carrier is enclosed by detector systems 1, the signal acquisition can be optimized. For example, the proportion of the reflection (thin dashed lines, FIG. 12A) can be recorded. If necessary, the detection of the scatter is also possible. If the light beam is irradiated from the side (FIG. 12B), the total reflection can be used in particular (dotted line). Furthermore, a measurement with a defined layer thickness (dashed line) can be carried out, so that the concentration of a chromophore can be determined in a conventional manner. The proportion of meniscus formation in the measurement effect can thus be recorded independently of the absorption of the chromophore.
Neben den anhand der Figuren 7, 8 und 12B beschriebenen Möglichkeiten zur Ermittlung des Beitrags der Chromophoren zum Messeffekt gibt es weitere Optionen. Beispielsweise kann die Bestimmung auch dadurch erfolgen, dass die Proben zusätzlich in Küvetten mit definierten Schichtdicken durchgeführt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Lichtquelle 5 und die Detektoreinheit 1 entsprechend Figur 13A so zu drehen, dass neben einer vertikalen auch eine horizontale Messung erfolgen kann. Es ist natürlich ebenfalls denkbar, eine zweite Lichtquelle 5' und eine zweite Detektoreinheit 1' vorzusehen. Des Weiteren kann ein System von Spiegeln 14, wie in Figur 13B dargestellt, eingesetzt werden. Lichtleitersysteme können ebenfalls statt des Spiegelsyste s verwendet werden.In addition to the possibilities for determining the contribution of the chromophores to the measurement effect described with reference to FIGS. 7, 8 and 12B, there are further options. For example, the determination can also be carried out by additionally carrying out the samples in cuvettes with defined layer thicknesses. In addition, there is the possibility of rotating the light source 5 and the detector unit 1 in accordance with FIG. 13A such that, in addition to a vertical measurement, a horizontal measurement can also be carried out. It is of course also conceivable to provide a second light source 5 'and a second detector unit 1'. Furthermore, a system of mirrors 14, as shown in FIG. 13B, can be used. Optical fiber systems can also be used instead of the mirror system.
Die Erfindung umfasst ebenfalls den Einsatz von Systemen mit mehreren Phasen beziehungsweise Flüssigkeiten. In Figur 14 ist beispielsweise ein System bestehend aus zwei miteinander nicht misch- baren Flüssigkeiten A und B dargestellt. Flüssigkeit B besitzt in diesem Fall eine geringere Dichte als Flüssigkeit A. Die Ausformung der Grenzfläche flüssig-gasförmig der Flüssigkeit B kann in Abhängigkeit der Versuchsbedingungen planar, konkav oder konvex sein. Bei entsprechender Kombination kann dies vorteilhaft zu einer Verringerung oder Ver- Stärkung der Brechungs-, Reflexions- und Streuungseffekte sowie Schichtdickenänderung führen.The invention also includes the use of systems with multiple phases or liquids. For example, FIG. 14 shows a system consisting of two liquids A and B which are immiscible with one another. In this case, liquid B has a lower density than liquid A. The formation of the interface liquid-gaseous liquid B can be planar, concave or convex depending on the test conditions. With a suitable combination, this can advantageously lead to a reduction or strengthening of the refraction, reflection and scattering effects and change in layer thickness.
Eine planare Grenzfläche entsteht immer dann, wenn der Probenträger exakt bis zum Rand mit Flüssigkeit B gefüllt ist. Wird diese Grenze überschritten, bildet sich immer ein konvexer Meniskus, bis es zum Überlaufen der Flüssigkeit kommt.A planar interface always occurs when the sample carrier is filled with liquid B exactly to the edge. If this limit is exceeded, a convex meniscus always forms until the fluid overflows.
Vorzugsweise besitzt die Flüssigkeit B einen entsprechend hohen Siedepunkt, so dass diese als Ver- dunstungsschütz für die Flüssigkeit A eingesetzt werden kann. Entsprechend können Messungen auch bei hohen Temperaturen, die gegebenenfalls sogar über dem Siedepunkt der Flüssigkeit A liegen, durchgeführt werden.The liquid B preferably has a correspondingly high boiling point, so that it can be used as an evaporation protection for the liquid A. Accordingly, measurements can also be carried out at high temperatures, which may even be above the boiling point of liquid A.
Neben der Verwendung von zwei Flüssigkeiten ist auch der Einsatz weiterer Flüssigkeiten denkbar. In einer speziellen Ausführungsform kann dies auf besondere Art und Weise ausgenutzt werden. In Figur 15 ist dies dargestellt. Neben dem Einsatz einer dritten Flüssigkeit C, kann gegebenenfalls auch die Bildung der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit A und B ausgenutzt werden. Im Speziellen ist es denkbar, Substanzen einzusetzen, die über spektrophotometrische und/oder luminometrische Eigenschaften verfügen und sich vorzugsweise im Bereich der Phasen- grenze aufhalten. Vorzugsweise sind bei dieser Ausführung die Vorrichtungen mit Lichtleitern oder "Lichtleiterarrays" zu versehen, die sowohl Lichtquelle 5 als auch Detektor 1 sein können. Kommt es zur Ausbildung einer planaren Phasengrenze (Figur 15A) kann ein Lichtstrahl 6, ausgehend von einem bestimmten Lichtleiter 16, die Phasengrenze beziehungsweise Flüssigkeit C durchstrahlen, um dann auf das gegenüberliegende Lichtleiterelement zu treffen. Bildet sich ein schwacher Meniskus, kann durch Totalreflexion innerhalb der Phasengrenze bezie- hungsweise innerhalb der Flüssigkeit C der Lichtstrahl gegenüberliegende Lichtleiter prinzipiell noch erreichen. Nimmt die Krümmung des Meniskus zu, ist dies nicht mehr möglich. Zunächst kommt es zur Brechung, dann zu der in Figur 15B dargestellten Totalreflexion.- Um diese festzustellen, kann es sinnvoll sein, ebenfalls oben und unten Detektoren einzusetzen.In addition to the use of two liquids, the use of further liquids is also conceivable. In a special embodiment, this can be used in a special way. This is shown in FIG. 15. In addition to the use of a third liquid C, the formation of the phase boundary between liquid A and B can optionally also be used. In particular, it is conceivable to use substances which have spectrophotometric and / or luminometric properties and are preferably in the range of the phase boundary. In this embodiment, the devices are preferably with light guides or To provide "light guide arrays" which can be both light source 5 and detector 1. If a planar phase boundary is formed (FIG. 15A), a light beam 6, starting from a specific light guide 16, can shine through the phase boundary or liquid C in order to then strike the opposite light guide element. If a weak meniscus forms, the light beam can in principle still reach the light guide opposite through total reflection within the phase boundary or within the liquid C. If the curvature of the meniscus increases, this is no longer possible. First there is refraction, then there is the total reflection shown in FIG. 15B. In order to determine this, it can be useful to also use detectors at the top and bottom.
Die Verwendung von Detektoren an diesen Stellen wird im Besonderen für luminometrische Messungen wichtig sein. In Abhängigkeit der Gestalt, planar, konkav oder konvex, der Phasengrenze beziehungsweise Flüssigkeit C, verändert sich die Verteilung der Lumineszenz. Dies kann durch Detektoren, die oberhalb beziehungsweise unterhalb angebracht sind, besonders gut erfasst werden (siehe auch Figur 8) .The use of detectors at these locations will be particularly important for luminometric measurements. Depending on the shape, planar, concave or convex, the phase boundary or liquid C, the distribution of the luminescence changes. This can be detected particularly well by detectors mounted above or below (see also FIG. 8).
Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, einen Lichtleiter oder ein "Lichtleiterarray" lediglich auf einer Seite einzusetzen, da die Lumineszenz oder die Reflexion bei photometrischen Bestimmungen im Bereich der Flüssigkeit A, B und der Phasengrenze beziehungsweise Flüssigkeit C unterschiedlich sein kann. Durch den Einsatz von Substanzen mit entsprechenden spektrophotometrischen und/oder luminometrischen Eigenschaften, die sich spezifisch in der Phasengrenze oder den Flüssigkeiten aufhalten, kann die Effizienz der Messung verbessert wer- den. Es ist ebenfalls denkbar, Substanzen zu verwenden, die als Fluoreszenzlöscher fungieren, um so optimale Messsignale zu erhalten.If necessary, it may be sufficient to use an optical fiber or an “optical fiber array” only on one side, since the luminescence or the reflection can differ in the case of photometric determinations in the region of the liquid A, B and the phase boundary or liquid C. Through the use of substances The efficiency of the measurement can be improved with corresponding spectrophotometric and / or luminometric properties that are specifically in the phase boundary or in the liquids. It is also conceivable to use substances that act as fluorescence quencher in order to obtain optimal measurement signals.
Des Weiteren können die Lichtstrahlen der jeweiligen Lichtleiterelemente gleichzeitig oder nachein- ander eingestrahlt und ein Scan durchgeführt werden. Außerdem ist es denkbar, mindestens eine Flüssigkeit durch ein Gel oder eine andersartige Matrix zu ersetzen.Furthermore, the light beams of the respective light guide elements can be irradiated simultaneously or in succession and a scan can be carried out. It is also conceivable to replace at least one liquid with a gel or some other type of matrix.
In Figur 16 sind KammerSysteme dargestellt, die mit Zu- und Abflusssystemen 17, 18 für die Flüssigkeit oder das Gas B sowie Zu- und Abflusssystemen 19, 20 für die Flüssigkeit oder das Gas A ausgestattet sein können. Auch sind Aufbauten denkbar, bei denen lediglich eine Zuleitung als Zu- und Abfluss für die jeweilige Flüssigkeit oder gar für beide eingesetzt wird. Mit den Systemen ist es beispielsweise denkbar, Volumenverhältnisse zu variieren. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Verfahren hilfreich sein, bei dem eine Flüssigkeit zunächst bestimmte Oberflächenbereiche benetzt und dann verdrängt wird. Erst durch diese Verfahrensweise bilden sich Menisken in einer bestimmten Weise aus. Ähnlich kann mittels Schütteln des Probenträgers verfahren werden (Figur 6) . Zudem kann es sinnvoll sein, hierbei bestimmte Inkubationszeiten oder Temperaturbedingungen einzuhalten. Es ist beispielsweise ebenfalls denkbar, einen Analyten in einer ersten Flüssigkeit in einen Probenträger zu überführen, dessen Oberfläche so funktio- nalisiert wurde, dass diese hochaffin für den Ana- lyten ist. Sollte sich durch die Bindung des Analyten noch kein ausreichender Meniskus ausbilden, kann die erste Flüssigkeit durch eine zweite Flüssigkeit ausgetauscht werden, welche bei Anwesenheit des Analyten an der Probenträgeroberfläche einen charakteristischen Meniskus ausbildet.FIG. 16 shows chamber systems which can be equipped with inflow and outflow systems 17, 18 for the liquid or the gas B and inflow and outflow systems 19, 20 for the liquid or the gas A. Constructions are also conceivable in which only one supply line is used as the inflow and outflow for the respective liquid or even for both. With the systems it is conceivable, for example, to vary volume ratios. For example, a method according to the invention can be helpful in which a liquid is initially wetted and then displaced from certain surface areas. Only through this procedure do menisci form in a certain way. The same can be done by shaking the sample carrier (FIG. 6). It may also make sense to adhere to certain incubation times or temperature conditions. It is also conceivable, for example, to transfer an analyte in a first liquid to a sample carrier whose surface has been functionalized in such a way that it is highly affine for the analyte. If the binding of the analyte does not yet form a sufficient meniscus, the first liquid can be replaced by a second liquid, which forms a characteristic meniscus on the sample carrier surface in the presence of the analyte.
Das "Anheften" der Analyte an eine gegebenenfalls entsprechend funktionalisierte Probenträgeroberfläche kann unspezifisch über van der Waalssche und ionische Wechselwirkungen, aber auch über Wasser- stoffbrücken-, koordinative oder kovalente Bindungen erfolgen.The "attaching" of the analytes to an optionally functionalized sample carrier surface can be carried out non-specifically via van der Waals and ionic interactions, but also via hydrogen bonds, coordinative or covalent bonds.
Ein weiterer Effekt, der analytisch ausgenutzt werden kann, ist die Konzentrierung von Analyten im Bereich des minimalen Abstandes einer konkaven Oberfläche bezüglich des Bodens des Probenträgers. Eine auf den Analyten abgestimmte Funktionalisie- rung der Oberfläche oder die Variation der Oberflächeneigenschaften des Probenträgers sind auch hier denkbar. Die Variation des Flüssigkeitsvolu- mens und damit der Höhe der Flüssigkeitssäule kann hier ebenfalls vorteilhaft ausgewertet werden.Another effect that can be exploited analytically is the concentration of analytes in the area of the minimum distance of a concave surface with respect to the bottom of the sample carrier. A functionalization of the surface that is tailored to the analyte or a variation of the surface properties of the sample carrier are also conceivable here. The variation of the liquid volume and thus the height of the liquid column can also be advantageously evaluated here.
Die lokale Konzentrierung geladener Analyte kann beispielsweise auch durch elektrische Felder erfolgen. Außerdem können durch den Einsatz elektrischer Felder die Eigenschaften der Probenträgeroberflächen, der Flüssigkeiten, Gase und/oder der Analyten so verändert werden, dass für Messungen vorteilhafte Effekte erzielt werden. Beispielsweise ist es mit Hilfe von Elektroden möglich, durch das Anlegen unterschiedlicher elektrischer Potentiale an einen Probenträger mit zunächst unpolaren Oberflächen polare Oberflächen zu erzeugen. Die Verwendung von zeitabhängigen elektrischen Potentialen kann für die Untersuchung magnetischer Analyten beziehungsweise Partikel sinnvoll sein. Außerdem besteht durch den Einsatz von Funkenentladungen die Möglichkeit, schnelle Reaktionen zu untersuchen. Entsprechend kann dies auch durch schnelle Druckänderungen mit Hilfe der Zu- und Abflusssysteme ermöglicht werden.The local concentration of charged analytes can also be done, for example, by electric fields. In addition, the properties of the sample carrier surfaces, the liquids, gases and / or the analytes can be changed by using electrical fields be changed so that advantageous effects are achieved for measurements. For example, with the aid of electrodes, it is possible to generate polar surfaces by applying different electrical potentials to a sample carrier with initially non-polar surfaces. The use of time-dependent electrical potentials can be useful for the investigation of magnetic analytes or particles. In addition, the use of spark discharges enables quick reactions to be investigated. Accordingly, this can also be made possible by rapid pressure changes using the inflow and outflow systems.
Zudem können unter Verwendung der Zu- und Abflusssysteme Analyten im Fluss in die Kammer verbracht werden. Hierbei kann das Volumen der Flüssigkeiten und/oder Gase konstant gehalten werden. Wird die Konzentration des Analyten einer fließenden Flüs- sigkeit konstant gehalten, erfolgt eine Bindung des Analyten an die Probenträgeroberfläche, bis ein dynamisches Gleichgewicht erreicht wird. Aufgrund der einhergehenden Meniskenbildung und Signalveränderung kann die Assoziationsgeschwindigkeitskonstante ermittelt werden. Wird mit Flüssigkeit ohne Analyt gespült, erfolgt die zeitabhängige Dissoziation des Analyten von der Probenträgeroberfläche. Entsprechend kann die Dissoziationsgeschwindigkeitskon- stante ermittelt werden. Damit können die Gleichge- wichtskonstanten der Assoziation und Dissoziation berechnet werden. Natürlich ist auch hier der Einsatz unterschiedlicher Analytkonzentrationen denk- bar. Diese können dann anhand des Ausmaßes des Signals bestimmt werden.In addition, analytes can be brought into the chamber in the flow using the inflow and outflow systems. The volume of the liquids and / or gases can be kept constant. If the concentration of the analyte in a flowing liquid is kept constant, the analyte is bound to the sample carrier surface until a dynamic equilibrium is reached. The association rate constant can be determined on the basis of the associated meniscus formation and signal change. If the liquid is rinsed without analyte, the time-dependent dissociation of the analyte from the sample carrier surface takes place. The dissociation rate constant can be determined accordingly. This enables the equilibrium constants of the association and dissociation to be calculated. Of course, the use of different analyte concentrations is also conceivable here. bar. These can then be determined based on the extent of the signal.
Neben Zu- und Abflüssen direkt in die. Kammer ist auch der Einsatz von Zu- und Abflüssen 21, 22 in den Probenträger, der in diesem Fall über Hohlräume verfügt, denkbar. Dadurch kann eine Thermostatisie- rung erfolgen. Außerdem kann über permeable, im Speziellen semipermeable Membraneigenschaften der Probenträgeroberflächen der Seitenwände 3 und des Bodens 4 ein Stoffaustausch stattfinden, der gemessen werden kann.In addition to inflows and outflows directly into the. Chamber, the use of inflows and outflows 21, 22 in the sample holder, which in this case has cavities, is also conceivable. Thereby thermostatting can take place. In addition, a material exchange that can be measured can take place via permeable, in particular semipermeable membrane properties of the sample carrier surfaces of the side walls 3 and the bottom 4.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf die Detektoreinheit, Lichtquelle beziehungsweise Lichtstrahl sowie Beispiele hinsichtlich der Vergleichsmessungen, Phasen- beziehungsweise Flüssigkeiten können prinzipiell beliebig miteinander kombiniert werden.The above-described embodiments with regard to the detector unit, light source or light beam and examples with regard to the comparative measurements, phase or liquids can in principle be combined with one another as desired.
Der Probenbehälter weist vorzugsweise- einen Radius von 2 mm bis 3 mm auf, jedoch sind zuverlässige Er- gebnisse auch bei einem Radius von circa 6 mm er- zielbar.The sample container preferably has a radius of 2 mm to 3 mm, but reliable results can also be achieved with a radius of approximately 6 mm.
Die Bestimmung eines Analyten kann dadurch erfolgen, dass in eine bereits vorhandene Lösung (Figuren 5A oder B) ein geringes Volumen bezie- hungsweise eine geringe Menge Analyt gegeben wird, wodurch sich dann konkave (Figuren 5C, D oder E) oder konvexe (Figuren 5F bis J) Menisken bilden.An analyte can be determined by adding a small volume or a small amount of analyte to an already existing solution (FIGS. 5A or B), which then makes it concave (FIGS. 5C, D or E) or convex (FIGS. 5F) to J) Form menisci.
Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des SystemsBecause of the high sensitivity of the system
(Figuren 7, 8 und 9) ist die Zugabe von geringen Analytmengen möglich. Eine Änderung der Schicht- dicke hierdurch kann demnach vernachlässigt werden. Außerdem ist die Verwendung von Referenzen (mit gleichem Volumen) , wie Lösungen mit bekannten polaren Eigenschaften oder Zusätzen, denkbar. Bei Kine- tiken würde die Änderung des Signals mit der Zeit verfolgt werden, bezogen auf den Start- und Endpunkt einer Reaktion oder Bindung.(Figures 7, 8 and 9) the addition of small amounts of analyte is possible. A change in shift the thickness can therefore be neglected. The use of references (with the same volume), such as solutions with known polar properties or additives, is also conceivable. In the case of kinetics, the change in the signal would be tracked over time in relation to the start and end point of a reaction or bond.
Abweichungen durch Absorption sind dabei zu berücksichtigen. Allerdings liefert die Meniskenbildung eine charakteristische Signalverteilung bezüglich des Radius' (Figur 5). Dies trifft in dieser Weise auf die Absorption nicht zu. Außerdem wird vorzugsweise angestrebt, nicht die Wellenlängen zur Messung einzusetzen, bei denen der Analyt absorbiert, sondern eine andere, inerte Substanz oder vorzugsweise das Lösungsmittel (IR-Bereich bei Wasser) . Es ist denkbar, dass zur Berücksichtigung von Absorptionen eine Absorptionsmessung separat oder statt vertikal horizontal im selben Probenträger durchge- führt werden. Damit kann die Änderung der Absorption unabhängig von der Meniskenbildung erfasst werden.Deviations due to absorption must be taken into account. However, meniscus formation provides a characteristic signal distribution with respect to the radius (FIG. 5). This does not apply to absorption in this way. In addition, the aim is preferably not to use the wavelengths at which the analyte absorbs, but rather another, inert substance or, preferably, the solvent (IR range for water). It is conceivable for an absorption measurement to be carried out separately or instead of horizontally in the same sample holder to take account of absorptions. The change in absorption can thus be recorded independently of the meniscus formation.
Entscheidend ist somit das Auftreten von Effekten überhaupt, die Signale ergeben, welche den Nachweis beziehungsweise die Bestimmung von Analyten ermöglichen. Quantifizierungen können beispielsweise über Eichreihen erfolgen.The decisive factor is the occurrence of effects that give signals that enable the detection or determination of analytes. For example, quantifications can be made using calibration series.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Eigenschaften von Flüssigkeiten, im Besonderen deren Oberflächenspannung und Brechungsindices, dieWith the method according to the invention it is possible to determine the properties of liquids, in particular their surface tension and refractive indices
Eigenschaften von Feststoffen beziehungsweise Ober- flächen, im Speziellen deren Grenzflächeneigen- schaften, beispielsweise die Polarität und Rauhigkeit sowie die Eigenschaften von Gasen zu bestimmen. Properties of solids or surface surfaces, in particular to determine their interface properties, for example the polarity and roughness as well as the properties of gases.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Nachweis eines Analyten in einem Probenträger, wobei der Analyt gegebenenfalls in und/oder an einem flüssigen oder gasförmigen oder festen Aufnahmemedium enthalten ist unter Vorliegen mindestens einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Ausgestaltung einer Grenzfläche der Flüssigkeit zum Nachweis des Analyten im Probenträger mittels Messung eines von der Gestalt der Grenzfläche abhängigen Messwerts heran- gezogen wird.1. A method for the detection of an analyte in a sample carrier, the analyte optionally being contained in and / or on a liquid or gaseous or solid recording medium in the presence of at least one liquid, characterized in that the geometric configuration of an interface of the liquid for the detection of the analyte in the sample holder by measuring a measurement value dependent on the shape of the interface.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analyt beziehungsweise die Flüssigkeit mit mindestens einem Lichtstrahl durchsetzt wird und eine von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängige Lichtintensität mittels einer Detektoreinheit zum Nachweis des Analyten im Probenträger ermittelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the analyte or the liquid is penetrated with at least one light beam and a light intensity dependent on the geometric configuration of the interface is determined by means of a detector unit for detecting the analyte in the sample carrier.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der De- tektoreinheit eine photometrische Messung oder eine luminometrische Messung erfolgt.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a photometric measurement or a luminometric measurement is carried out by means of the detector unit.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit unter Veränderung des Abstands zur Grenzfläche bewegt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detector unit is moved while changing the distance to the interface.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Grenzfläche und der Detektoreinheit angeordnetes optisches Linsensystem zur Messoptimierung bewegt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an optical lens system arranged between the interface and the detector unit is moved for measurement optimization.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein qualitativer und/oder quantitativer Nachweis des Analyten unter Heranziehung von geeigneten Eichreihen erfolgt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a qualitative and / or quantitative detection of the analyte is carried out using suitable calibration series.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Lichtstrahl emitierende Lichtquelle zur Erhöhung der Messempfindlichkeit bewegt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a light source emitting the light beam is moved to increase the sensitivity.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messoptimierung der Probenträger und/oder die Flüssigkeit mit einem elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feld beaufschlagt werden.8. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that an electrical, magnetic or electromagnetic field is applied to the sample carrier and / or the liquid in order to optimize the measurement.
9. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Probenträger (PT) zur Aufnahme eines gegebenenfalls in einem flüssigen, gasförmigen oder festem Aufnahmemedium enthaltenen Analyten unter Vorliegen einer Flüssigkeit mit einer Grenzfläche, eine Lichtquelle (LQ) zur Abgabe mindestens eines den Analyten beziehungsweise die Flüssigkeit durchsetzenden Lichtstrahls und eine Detektoreinheit (D) zur Ermittlung einer von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängigen Lichtintensi- tat. 9. The device, in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 5, comprising a sample carrier (PT) for receiving an analyte optionally contained in a liquid, gaseous or solid recording medium in the presence of a liquid with an interface, a light source (LQ) for emitting at least one light beam passing through the analyte or the liquid and a detector unit (D) for determining a light intensity which is dependent on the geometric configuration of the interface.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (D) eine gekrümmte Detektoroberfläche aufweist .10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector unit (D) has a curved detector surface.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probenträger (PT) und Detektoreinheit (D) ein Linsensystem (11) vorgesehen ist, das zur Messoptimierung bewegbar ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a lens system (11) is provided between the sample carrier (PT) and the detector unit (D), which is movable for measurement optimization.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (D) in Bezug auf den Probenträger (PT) mindestens einen frontalen Detektorabschnitt und/oder mindestens einen seitlichen Detektorabschnitt auf- weist. 12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector unit (D) has at least one frontal detector section and / or at least one lateral detector section with respect to the sample carrier (PT).
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