用于确定物质浓度的测量装置和方法与流程

1.本发明涉及一种按照权利要求1所述的用于确定布置在测量体积中的流体的物质浓度的测量装置和一种对应的按照权利要求9所述的方法。


背景技术：

2.在过程控制方面以及在对产品的质量保证方面，这种类型的测量装置和方法无论是在实验室规模上还是在过程规模上都发挥着重要作用。在此，在待测物质的尽可能大的浓度范围内的测量精确性重要。同样重要的是：在长的测量时间段内维持该测量精确性，使得尽可能少地乃至甚至不需要测量装置的校准。
3.在生物技术中，吸收测量主要用于确定核酸浓度以及用于确定蛋白质浓度或者氨基酸浓度。后者例如用于蛋白质溶液的色谱分离。在此，尤其是形成如下产物流，待确定物质在不同时间以不同浓度包含在这些产物流中。通过吸收测量，例如基于测量结果来控制关于浓度和/或杂质的选择。
4.因而，对于测量装置、通常是过程光度计来说，需要尽可能动态和宽的测量范围。此外，优选测量的良好的可再现性以及不同测量点的良好可比性。为了获得有意义的其误差估计得到尽可能窄的公差带的测量结果，除了良好的可再现性和相对于干扰影响的独立性之外，还希望在过程中的测量与实验室规模的测量的良好可比性以及尤其是在物质浓度与吸收之间的良好线性。
5.同样有利的是：替代实际待测物质，为了设备校准的目的而可以使用替代物质。这一点特别是在待测物质昂贵、稳定性差或者该待测物质通常难以处理时特别有利。


技术实现要素：

6.因而，本发明的任务在于：说明一种用于确定物质浓度的测量装置和方法，该测量装置和该方法能够实现尽可能精确且长期可再现的测量。
7.上述技术问题尤其是利用按照权利要求1所述的测量装置和/或按照权利要求8所述的方法来被解决。本发明的有利的扩展方案是在从属权利要求中说明。在说明书、权利要求书和/或附图中说明的至少两个特征的全部组合也落入在本发明的保护范围。在所说明的值范围的情况下，在所提到的极限之内的值也应该作为极限值来公开并且应该能以任意的组合来被要求保护。
8.本发明所基于的思想在于：将源频谱对测量/确定物质浓度的不符合期望的影响降低到最低限度。按照本发明，这尤其是通过在光路、优选地在探测器与测量体积之间布置减少荧光的元件并且限制进入测量体积的辐射、尤其是波长与测量波长不同的辐射、优选地更短波的辐射来实现。因而，按照本发明的测量装置和按照本发明的方法优选地被用于对源频谱、尤其是窄带源频谱和/或测量波长以荧光方式做出响应的流体。
9.测量波长或测量波长范围随后被用作替代名称，但是应该分别涉及两者。按照本发明，在测量体积中不受待测物质的影响而到达探测器的频谱被视为测量频谱。
10.尤其可以通过该探测器来探测多个测量波长。也可以使用多个探测器来探测至少一个测量波长。
11.按照本发明，在源与测量体积之间布置至少一个分束器。该分束器尤其被设计成部分反射层或者全反射层或者对波长敏感。尤其是，对波长敏感的分束器也可以满足减少荧光的功能。
12.分束器是将光束分成两条部分光束的光学器件。非常简单的分束器例如是玻璃板，该玻璃板以45
°
的角度被引入到光路中。一部分光在该玻璃板的表面上以90
°
的角度被反射，另一部分穿过该玻璃板。通过将适合的部分反射涂层涂覆到该玻璃板的表面上，可以以这种方式将光束分成两条相同强度的光束（半透明镜）。
13.尤其是，分束器由两个棱镜组成，这两个棱镜在其底座处（例如用加拿大树脂）被拼接。分束器立方体的工作原理是防止全反射。因而，分光比取决于光的波长。
14.除了非偏振分束器之外，还存在偏振分束器（也称为极立方体）。这里，分光比通过入射光的偏振角来被确定。
15.优选地，多个测量波长使用同一光路和同一探测器，其中不同的测量波长在时间上交错地穿过测量体积。尤其是，这些不同的测量波长在不同位置（例如多个光波导的出口）穿过测量体积。
16.优选地，使用柔性光波导，但是也能够使用刚性光波导，尤其是线性布置。如果使用多个测量波长，则在测量体积中的路径长度优选地一样长。
17.射入到测量体积中的功率尤其能例如通过机械装置（斩波器、斩波镜）、电光装置（液晶装置、普克尔斯盒（pockels-zelle））、机电和/或电气装置（源（led）的工作电流）来被调制。调制方案可以是确定性的、部分随机的或者伪随机的。这不仅涉及各个测量波长而且涉及不同波长的强度序列。
18.优选地，源与测量体积之间的测量辐射的强度能临时或持久地、尤其是在测量探测器中探测测量波长期间被测量。根据所测量的强度，源强度能被调节到预先给定的值（固定或随时间可变（调制）），其中测量值能根据默认值和/或测量值来被标准化。
19.优选地，该测量装置的组件中的至少一些组件在空间上彼此分开地布置，以便：控制与周围环境的相互作用；避免、至少降低过程介质对测量技术的温度影响、测量技术对介质的温度影响，和对灵敏的探测器电路的电磁影响；以及将电点火源与有爆炸危险的环境分开。
20.按照本发明优选光学确定、尤其是利用测量波长范围在100nm与5μm之间的电磁辐射进行的光学确定。根据朗伯-比尔定律，透射光功率（lt）与入射光功率（l0）之商的（十进制）对数在给定的层厚度d的情况下在任何波长的情况下都与物质浓度c成比例（尤其是每体积的粒子数，例如mol/l）：a (lamda) = log10 (l0/lt) = k*c*d比例常数k在下文称为吸收系数。在上述等式中呈现的关系适用于在宽的浓度范围内的几乎所有物质。通过使用以对数方式缩放的比例数a，在该参量和与物质相关的吸收系数k、物质浓度c以及层厚度d之间得到线性关系。该关系尤其是当入射光和透射光具有相同波长并且在测量体积中不发生光的散射时适用。对a的实际测量的前提在于：整个光辐射都在测量体积中走过近似相同的距离。因而，按照本发明优选的是：测量体积在光路方向上
由平面平行的窗界定和/或从测量源输出的测量光束大致平行地延伸，即尤其是不散射。
21.本发明尤其基于以下认识：在待测流体中包含具有荧光特性的物质的情况下，得到对测量频谱的干扰影响、尤其是随时间变化的干扰影响。在按照本发明优选地确定含有色氨酸的蛋白质的物质浓度时，在测量波长为280nm的情况下形成在大约350nm处具有最大值的扩展荧光。经此，可能在探测时发生干扰，并且由此可能在确定物质浓度时发生干扰。
22.所描述的效果主要是在高浓度和/或更大的层厚度的情况下能更明显地被发觉，尤其是在该测量波长的光减弱超过两个数量级的情况下能更明显地被发觉。此外，荧光产率取决于分子的温度和周围环境，并且可能受到其它物质的干扰。因而，在不同浓度的情况下，与测量的线性存在偏差，使得测量结果的可再现性和可扩展性较差。
23.因而，本发明的核心尤其在于测量频谱吸收以确定物质浓度，其中在光路中不仅在测量体积前面而且在测量体积后面都布置波长选择装置/构件。
24.按照本发明，波长选择装置/构件的特点尤其在于：通过这些波长选择装置/构件，源频谱的在不符合期望的波长范围内、即尤其是在测量波长之外的辐射比在所希望的波长范围内更强烈地被减小。
25.在入射侧、即在测量体积前面的光路中，布置波长选择装置，通过这些波长选择装置来减少源频谱的有害辐射、尤其是在相对于测量波长而言的短波范围内的有害辐射。通过按照本发明的该措施，布置在测量体积中的流体受到尽可能少的辐射。
26.通过在光路中布置在测量体积后面的波长选择装置，荧光、尤其是由于在测量体积中的测量波长而激发的荧光被减少/吸收，以便确保在宽的物质浓度范围内的线性的且可再现的测量。
27.布置在测量体积后面的波长选择装置尤其可以是减少荧光的元件。减少荧光的元件优选地是干涉滤波器，该干涉滤波器具有：超过10%透射、尤其是超过20%透射、优选地超过30%透射；280nm的波长；和最大40nm、优选地最大20nm、还更优选地在9与15nm之间的半值宽度。
28.通过布置在测量体积前面和后面的波长选择装置和/或其它波长选择装置/构件，源频谱被集中到测量波长，即优选地在该测量波长的情况下具有最大值。在此，优选其中物质的待测物质浓度的吸收尽可能高、尤其是具有局部最大值的测量波长。
29.其它波长选择装置/构件尤其可以通过将源设计成窄带光源和/或附加的、优选地在测量体积下游的、布置在光路中的滤波器来形成。
30.优选地，基本上通过布置在测量体积前面的波长选择装置、尤其是具有280nm的测量波长和最大5nm的半值宽度的单色仪来确定测量辐射的频谱分布。
31.按照本发明的一个有利的实施方式，测量辐射的强度通过布置在测量体积后面的波长选择装置最多被减小到10分之一、优选地最多被减小到5分之一。而荧光优选地至少被减小到20分之一、优选地至少被减小到50分之一、还更优选地至少被减小到100分之一。
32.按照本发明优选的用于在测量体积前面的波长选择的波长选择装置是源、尤其是输出窄带源频谱的源。可以通过设置窄带光源、尤其是下文提到的光源中的一个或多个光源来实现波长选择：
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led；
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低压气体放电灯；
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激光器、优选地可调激光器。
33.替代地，源可具有宽带光源，该宽带光源具有下游的进行波长选择的中间元件，尤其是如下元件之一：
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至少一个衍射光栅；和/或
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至少一个干涉滤波器。
34.按照本发明，尤其是如下源适合作为宽带源：
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白炽灯；
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等离子源；
‑ꢀ
气体放电灯。
35.按照本发明的一个实施方式，可设想的是：设置线性源与附加的波长确定元件的组合。光学元件尤其是分立式地一个接一个地构造。替代地或附加地，尤其可设想的是：引起空间分离，并且在各个组件之间通过光导元件、尤其是光导纤维、透镜传导和/或具有梯度折射率透镜的传导来引导光辐射（源频谱）。
36.按照本发明的另一有利的实施方式，该测量装置为了确定吸收而被标准化或能被标准化到射入测量体积中的强度上。这尤其是通过用非吸收性参考流体来填充测量体积以便记录测量频谱的一个或多个参考值的方式来实现。
37.按照本发明的另一有利的实施方式，可设想的是：有时间间隔地或者持续地监控所射入的强度，以便可以考虑所射入的强度的随时间的变化。这尤其可以通过源频谱的重定向、尤其是通过斩波镜来实现。
38.按照本发明在下游的波长选择构件优选地是减少荧光的元件。优选地使用滤波器，与相对于测量波长而言波长更长的辐射相比，该滤波器对要由探测器测量的测量波长的影响明显更小。在测量波长的情况下，减少荧光的元件优选地具有小于50%、还更优选地小于20%的吸收。而减少荧光的元件在其中会激发荧光发射的波长范围内具有尽可能高的吸收。按照本发明，还可设想的是：在光路中布置多个测量波长和多个用于减少荧光的区域和/或具有可调透射范围的元件。
39.按照本发明的另一有利的实施方式，至少一个波长选择构件、尤其是减少荧光的元件被设计成沿着光路界定测量体积的构件。
40.替代地或附加地，减少荧光的元件尤其配备有辐射方向选择元件。经此，通过利用不同的角度分布，至少主要减少荧光辐射，而待测辐射未经改变地至少主要穿过减少荧光的元件并且可以被测量，而在探测器处的测量不受荧光辐射的明显影响。按照本发明，这尤其可以通过光学空间滤波器来被解决。
41.按照本发明的一个优选的实施方式，探测器为了通过电流测量来测量由源输出的并且穿过测量体积的源频谱的与波长有关的吸收而将射在探测器上的测量频谱转换成光电流。为此，尤其使用光电倍增器、光电二极管半导体和/或真空管。替代地，可设想的是测辐射热法，原因在于有关测量波长被予以波长选择的测量频谱射到探测器上。尤其可以使用辐射热测量计作为探测器。
42.按照本发明，尤其是考虑如下波长作为测量波长，该波长在可忽略目标物质（其物质浓度被测量）的吸收的情况下在对波长、优选地用相应的辐射强度加权的波长的算术平均的情况下被探测器记录、尤其是在不可能有其它波长选择的情况下记录。
43.按照本发明，测量波长尤其是在200nm与15μm之间、优选地在250nm与320nm之间、还更优选地为280nm /
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5nm和/或260nm /
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5nm和/或254nm /
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5nm、还更优选地为280nm /
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0.1 nm。
44.按照本发明，半值宽度尤其是指以波长测量的在强度频谱中的如下点之间的距离，在这些点处，测量频谱的测量辐射的强度已下降到了其最大值的一半。按照本发明，半值宽度尤其是最大为测量波长的1/5、优选地最大为测量波长的1/10、还更优选地最大为测量波长的1/50。
45.按照本发明，测量辐射的千分之一值宽度尤其是以波长测量的在强度频谱中的如下点之间的距离，在这些点处，测量频谱的测量辐射的强度已下降到了其最大值的千分之一。按照本发明，千分之一值宽度尤其是最大为测量波长的一半、优选地最大为测量波长的四分之一。
46.按照本发明的一个有利的实施方式，设置用于将相对于测量波长而言的短波和/或长波辐射关于在测量波长进入测量体积之前的所射入的功率密度至少减少到2分之一、优选地至少减少到10分之一、还更优选地至少减少100分之一的装置。
47.按照本发明，在测量体积与探测器之间进行波长选择，其中尤其是相对于测量波长至少长波地限制源频谱，关于测量波长优选地下降到至少2分之一、优选地至少下降到10分之一、还更优选地至少下降到100分之一。该下降尤其发生在测量波长的周围环境中，该下降尤其为50/100、优选为2/100。
附图说明
48.按照该装置公开的特征也应该被视为方法特征，作为独立或组合的发明被公开，而且反之亦然。本发明的其它优点、特征和细节根据随后对优选的实施例的描述以及依据附图来得到。其中：图1示出了按照本发明的测量装置的第一实施方式的示意性透视图；以及图2示出了按照本发明的测量装置的第二实施方式的示意性透视图。
49.在附图中，相同和作用相同的构件/特征用相同的附图标记来表征。
具体实施方式
50.在图1中示出了源1，该源由光源2和进行波长选择的光学元件3形成。光源2被设计成宽带光源，该宽带光源以光路7来输出宽带源频谱，该光路延伸、尤其是线性地延伸直至探测器6。
51.在源1与测量体积4之间布置分束器9，其中分束器9布置在源1的光学元件3与测量体积4之间。分束器4将入射光束分成：第一部分光束，该第一部分光束沿着光路7继续延伸；和第二部分光束（未示出），该第二部分光束沿另一方向继续延伸。该第二部分光束可以垂直于光路7地延伸并且尤其是射到参考探测器（未示出）上，通过该参考探测器来评估第二部分光束。
52.光源2的宽带源频谱射到对波长进行选择的光学元件3上，并且在穿过对波长进行选择的光学元件3时，辐射功率短波地明显被降低成280nm的测量波长。波长选择元件3留下主要功率密度在超过250nm的波长范围内的窄带源频谱。优选地超过所射入的功率密度的
90%都在该范围内。
53.至少限制在测量波长以下的窄带源频谱沿着光路7射到测量体积4上。测量体积4通过测量空间来界定，该测量空间至少在光路7的方向上具有相对于光路7横向布置的窗8、8'。窗8、8'优选地与光路7正交地布置并且优选地具有沿着光路7的所限定的距离。该距离对应于层厚度，窄带频谱沿着光路7经由该层厚度穿过布置在测量体积中的流体。
54.该流体要么静止地布置在测量体积4中要么横向于光路7流动地布置在测量体积中。
55.该流体具有物质（目标物质）、优选色氨酸的待确定的物质浓度，该物质在穿过测量体积4的窄带源频谱方面在测量波长范围内引起能通过探测器6测量到的变化。
56.窄带源频谱可以在测量体积4中引起荧光、尤其是由目标物质产生的荧光，该荧光尤其可能沿着光路7引起要由探测器6测量的信号的失真、尤其是在波长高于测量波长的频谱内的失真。
57.出于该原因，在光路方向上在测量体积4后面布置另一对波进行选择的光学元件，该光学元件以光路中的减少荧光的元件5为形式。在穿过测量体积4的窄带源频谱穿过时，可能的在测量体积4中产生的荧光辐射至少主要、优选地在很大程度上、还更优选地完全被吸收。因此，至少主要是、优选地实际上仅仅是为了测量物质浓度而提供的、尤其是限于短波和长波的窄带频谱射到探测器6上，该窄带频谱的功率密度至少主要在测量波长范围内。在测量波长的情况下，测量频谱优选地具有功率密度的最大值。
58.减少荧光的元件5优选地在280nm /
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5nm和/或260nm /
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5nm和/或254nm /
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5nm方面是选择性的。
59.探测器6测量从测量体积4并且穿过减少荧光的元件5射出的光，其方式是通过电流测量、尤其是光电倍增器将其转换成光电流。据此，可以推断出目标物质的物质浓度。
60.在图2中示出的实施方式与在图1中描述的实施方式的区别在于：设置窄带光源2'作为源1，使得在该实施方式中可以省去对波长进行选择的光学元件3。光源2'已经输出至少主要在测量波长范围内辐射的源频谱，并且因此包括布置在测量体积4前面的波长选择装置。
61.在源1与测量体积4之间布置分束器9'，其中分束器9'布置在光源2'与测量体积4之间。分束器4将入射光束分成：第一部分光束，该第一部分光束沿着光路7继续延伸；和第二部分光束（未示出），该第二部分光束沿另一方向继续延伸。该第二部分光束可以垂直于光路7地延伸并且尤其是射到参考探测器（未示出）上，通过该参考探测器来评估第二部分光束。
62.在该实施方式中，减少荧光的元件5'关于测量波长优选地至少主要、优选地几乎仅仅具有长波选择性。
63.附图标记清单1
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源2、2'
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光源3
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对波长进行选择的光学元件4
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测量体积5、5'
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减少荧光的元件6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
探测器7
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光路8、8'
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窗9、9'
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分束器