DE10018941A1 - Mehrbandenfilteranalysator zur Bestimmung kleinster Konzentrationsänderungen in Mehrkomponenten-Substanzgemischen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung kleinster Konzentrationsänderungen in Substanzgemischen, wobei eine oder mehrere Leitkomponenten geringer Konzentration in Gegenwart höher konzentrierter Matrix- oder Hintergrundkomponenten detektiert werden können. Die durch das Substanzgemisch transmittierte oder vom Substanzgemisch remittierte spektrale Leistung wird von mindestens drei spektral breitbandigen und mit binären Filtern versehenen photoempfindlichen Detektoren erfasst, deren Signale zur genauen Bestimmung der Substanzkonzentrationen verwendet werden.

Description

In komplexen Substanzgemischen mit zeitvariablen oder zustandsvariablen Konzentrationsverhältnissen besteht häufig das Problem, eine oder mehrere Leitkomponenten geringerer Konzentration in Gegenwart höher konzentrierter Matrix- oder Hintergrund­ komponenten zu detektieren. Immer dann, wenn die zu detektierende Änderung einer Leit­ komponente gleich oder kleiner der statistischen oder systematischen Fluktuation des Mehr­ komponentengemisches oder wesentlicher Hintergrundsignale ist, stoßen spektral hochauf­ lösende Verfahren auf Schwierigkeiten, da bei den verfügbaren Detektoren mit Einengung der spektralen Bandbreite das Verhältnis Störsignal zu Nutzaignal ansteigt. Es soll daher ein Verfahren gefunden werden, das die bekannten Nachteile spektral hochauflösender Ein- oder Mehrkanalsysteme bei gleichzeitiger Steigerung der Sensitivität und Beibehaltung der Selektivität vermeidet.

Es ist bekannt, dass mit Methoden der Fourier-Transform-Spektroskopie, ggf. verbunden mit so genannten chemometrischen Auswertemethoden, oder bei Anwendung der Mehr­ komponenten-Queranalyse auf Vielkanalspektren die Empfindlichkeit des Nachweises geringer Substanzänderungen und Konzentrationsänderungen in Gegenwart auch eines höheren Störpegels verglichen mit einem konventionellen Spektral-Absorptionsphotometer deutlich gesteigert werden kann (siehe zum Beispiel Patent US 5857462). Aber auch diese Methoden der Multiplex-Spektroskopie versagen in der Regel, wenn durch die Signalgröße des Störuntergrundes und die damit verbundenen statistischen oder systematischen Fluktuationen der spektralen Intensität bereits die Dynamik des gegebenen Detektors aussteuern. Auch andere Lösungsansätze, wie die Verwendung so genannter Girardgitter und der Hadamard-Transformation, führen in diesen Fällen zu keinen befriedigenden Lösungsansätzen.

In jüngerer Zeit hat daher die breitbandige Detektion der spektralen Signale besondere Aufmerksamkeit erlangt (siehe zum Beispiel L. A. Sodickson "Improvements in Multivariate Analysis via Kromoscopic Measurement" in Molecular Spectroscopy, 12(7), 1997, Seite 13-21). Durch den Verzicht auf die spektrale Einengung bei der Detektion und des daraus resultierenden höheren Lichtpegels je Detektor verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis. Es ist bekannt, dass die Nachweisgenauigkeit von Konzentrationsänderungen dabei entscheidend von den spektralen Filtern und der spektralen Empfindlichkeit der Detektoren abhängt. Es ist jedoch kein Verfahren bekannt, mit dem optimalen Filterverläufe analytisch bestimmt werden können. Vielmehr werden Filterverläufe subjektiv ausgewählt oder parameterisierte Filterverläufe durch aufwendige Optimierungsalgorithmen angepasst. Dabei werden stets weiche, d. h. allmählich ansteigende und abfallende Filterverläufe gewählt, wie in Fig. 4 beispielhaft dargestellt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass immer dann, wenn das spektrale Signal näherungsweise als eine Linearkombination der Wirkung der Zielkomponente und anderer Komponenten und Umgebungsparametern dargestellt werden kann, d. h. wenn gilt

wobei P(C₁, C₂, . . ., C_N, T, . . ., λ) die durch das Gemisch transmittierende oder vom Gemisch remittierende spektrale Leistung, abhängig von den Konzentrationen C_n der N Substanzen und äusseren Parametern, wie z. B. der Temperatur T, ist, eine Detektion geringster Substanzunterschiede dadurch möglich wird, dass entsprechend der Anzahl der wesentlichen Glieder der Linearkombination in dem für die Messung relevanten Spektralbereich Photodetektoren mit vorgesetzten, breitbandige Filterfunktionen gewählt werden, welche jeweils in einem oder mehreren, ausgewählten spektralen Unterbereichen eine Transmission von möglichst eins und in allen anderen spektralen Unterbereichen eine Transmission von möglichst null aufweisen, wie beispielhaft in Fig. 5 dargestellt. Solche Filter werden im weiteren als binäre Filter bezeichnet. Die jeweiligen spektralen Unterbereiche der einzelnen Detektoren werden derart gewählt, dass, unter Berücksichtigung der spektralen Intensitätsverteilung der Lichtquelle, der intrinsischen spektralen Empfindlichkeit der Detektoren, sowie der Koeffizienten der Linearkombination, Änderungen der Konzentrationen aller Komponenten sowie Änderungen der Umgebungsparameter maximale Änderungen in den Detektorsignalen hervorrufen. Durch die Binarität der Filter wird eine optimale Ausbeute der Photonen gewährleistet. Durch geeignete mathematische Transformationen der Detektorsignale, ermittelt aus der Kenntnis des Gesamtsystems oder durch bekannte multivariate Kalibrierungsmethoden, kann die Konzentration der Zielgröße quantitativ bestimmt werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll z. B. die stoffwechselbedingte Änderung der Blutglukose in einem lebenden Organismus transkutan bestimmt werden. Hierzu wird je ein Bandpassfilter bei der temperaturunabhängigen Schwingungsbande des Wasser bei 1380 nm, wie in Fig. 7 dargestellt, sowie je ein Bandpassfilter bei dem bekannten Absorptionsmaxima der Glukose bei 1400 nm und dem bekannten Absorptionsminimum bei 1900 nm, wie jeweils in Fig. 6 dargestellt, benutzt. Dabei dient das Signal der temperaturun­ abhängigen Wasserbande als interner Normierungsstandard und die Signalunterschiede zwischen den Off-Band- und On-Band-Glukosefiltern zur Erfassung der substanzspezifischen Variation verglichen mit dem sich dynamisch ändernden Hintergrundsignal. Die spektrale Breite der Bandpassfilter wird so gewählt, dass das resultierende Intensitätssignal ggf. durch nachträgliche Graukeilabschwächung im linearen Dynamikbereich des Detektors liegt und dass das statistische Rauschen durch Wellenlängenfluktuation in der Lichtquelle bzw. das Quantenrauschen und anderes Interferenzrauschen im Verhältnis zum detektierten Signal­ pegel kleiner ist als die zu erwartende differentielle Messgröße. Da in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Konzentration der Blutglukose durch den Pulsschlag zeitvariabel moduliert ist, wohingegen die Konzentration der Glukose in der Interstitialflüssigkeit und innerhalb der Zellen eine vergleichsweise stabile Untergrundgröße darstellt. Konkret heißt dies, dass der Anteil der Blutglukose entweder über ein Stop-Flow-Verfahren, d. h. Stoppen des Blutflusses durch Kompression und anschließender Dekompression und Messen des anschwellenden Wertes, oder durch Lock-in-Technik bei den niederen Frequenzen des Pulsschlages bzw. durch Kreuzkorrelationstechniken erfasst wird. Erfindungsgemäß wird in dem in Betracht kommenden Spektralbereich zwischen 600 nm und 2,5 µm ein thermischer Strahler als Lichtquelle benutzt, jedoch wären auch hinreichend breitbandige oder die Kombi­ nation mehrerer einzelner breitbandig emittierender Laserstrahlungsquellen erfindungsgemäß. Die Zuführung der Strahlung an der Untersuchungsort erfolgt durch eine geeignete Optik. Erfindungsgemäß ist jedoch auch eine Zuführung durch Glasfaserkabel, wie in Fig. 3 dargestellt.

Die Detektion der transmittierten oder remittierten Strahlung erfolgt durch eine geeignete Optik, wie z. B. einer Sammellinse. Nachfolgend wird die Strahlung durch einen oder mehrere Strahlteiler aufgeteilt und den einzelnen photoempfindlichen Detektoren zugeführt, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Erfindungsgemäß ist jedoch auch eine Aufnahme der transmittierten oder remittierten Strahlung durch ein Glasfaserbündel, wobei jeweils einzelne oder mehrere Fasern des Bündels einem mit der Detektoren zugeführt wird, so dass der Einsatz eines Strahlteilers entfällt, wie in Fig. 3 dargestellt. In bevorzugter Ausführung wird bei Remissionsmessungen ein einziges Faserbündel sowohl zur Beleuchtung, als auch zur Detektion benutzt, derart, dass ein oder mehrere Fasern des Bündels die Strahlung von der Lichtquelle zum Untersuchungsort führt und die restlichen Fasern des Bündels die remittierte Strahlung zu den einzelnen Detektoren führt.

In Weiterführung des Erfindungsgedanken haben experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass sich für die transkutane Bestimmung von Blutglukose unter der Berücksichtigung von Temperaturabhängigkeiten und Streuung eine Anzahl von fünf bis acht Detektoren mit jeweils drei bis vier verschiedenen, transmittierenden Spektralteilbereichen optimal sind. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sieben Detektoren verwendet. Die Filterverläufe der einzelnen Detektoren sind wiederum binär mit transmittierenden Spektral­ teilbereichen, wie sie aus Fig. 8 zu entnehmen sind. In Fig. 8 markieren horizontale Linien für jeden der sieben Filter die Spektralteilbereiche, bei denen die Transmission der jeweiligen Filter im wesentlichen eins ist. In allen anderen Spektralteilbereichen ist die Transmission der jeweiligen Filter im wesentlichen null. Die dargestellten Filterverläufe bewirken, dass Änderungen der Glukosekonzentration maximale Änderungen in den Detektorsignalen hervorrufen.

Fig. 1 zeigt den schematischen Messaufbau für Transmissionsmessungen. Die Strahlung der Lichtquelle 1 transmittiert durch das Substanzgemisch 2. Das Spektrum der transmittierten Strahlung hängt von den Konzentrationen der Substanzen und den Umgebungsparametern ab. Die transmittierte Strahlung wird durch eine Strahlteilereinheit 3 in N Teilstrahlen aufgeteilt, die mit unterschiedlichen, breitbandigen, binären Filtern 4 versehenen photoempfindlichen Detektoren 5 zugeführt werden. Durch die Verwendung binärer Filter wird die Photonenausbeute maximiert, wodurch ein bestmögliches Signal- Rausch-Verhältnis erreicht wird. Die spektrale Bandbreite der Durchlassbereiche der jeweiligen Filter wird so gewählt, dass Änderungen der Substanzkonzentrationen maximale Änderungen in den Detektorsignale bewirken.

In streuenden Medien sind auch Remissionsmessungen entsprechend Fig. 2 erfindungs­ gemäß. Die Strahlung einer breitbandigen Lichtquelle 1 dringt in das Substanzgemisch 2 ein und wird dort gestreut. Ein Teil des Streulichtes verläßt das Substanzgemisch, wird durch eine Strahlteilereinheit 3 in N Teilstrahlen aufgeteilt und N mit Filtern 4 versehenen Detektoren 5 zugeführt.

In einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung wird, wie in Fig. 3 dargestellt, die Strahlung mit Hilfe einer oder mehrerer Glasfasern 6 an den Untersuchungsort 2 geführt und die Streustrahlung mit mehreren Glasfasern 7 vom Untersuchungsort zu den Detektoren geleitet. In dieser Anordnung entfällt der Strahlteiler.

Fig. 4 zeigt beispielhaft breitbandige, nicht-binäre Filterfunktionen, wie sie zur Zeit für die breitbandige Spektroskopie eingesetzt werden. Durch Filtertransmissionen kleiner 1 in relevanten Spektralbereichen wird die Photonenausbeute reduziert. Durch Filtertransmissionen größer 0 in irrelevanten Spektralbereichen wird das Signal-Rauschverhältnis reduziert. Beides führt zu einer suboptimalen Nachweisgenauigkeit geringer Substanzkonzentrationen.

Fig. 5 zeigt beispielhaft breitbandige Filterfunktion in erfindungsgemäßer Ausführung, die sich dadurch auszeichnet, dass jeder Filter in einem oder mehreren spektralen Teilbereichen eine Transmission nahe eins aufweist in allen anderen spektralen Teilbereichen die Transmission nahe null.

Fig. 6 zeigt die typischen Absorptionsmaxima und -minima von Glukose relativ zu Wasser. Für die Detektion von Blutglukose werden die Durchlassbereiche mindestens eines Filters im Bereich der Absorptionsmaxima und die Durchlassbereiche mindestens eines weiteren Filters im Bereich des Absorptionsminimums gewählt, wodurch die Änderungen in der Glukosekonzentration maximale Änderungen in den Detektorsignalen und somit eine maximale Nachweisgenauigkeit bewirken.

Fig. 7 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Transmission von Wasser in dem Wellen­ längenbereich von 1,2 µm bis 2,5 µm. Es ist bekannt, das die Absorption von Wasser eine temperaturabhängige spektrale Verschiebung aufweist. Diese spektrale Verschiebung führt zu unerwünschten Änderungen in den Detektorsignalen. Im Wellenlängenbereich um 1,38 µm ist die temperaturabhängige Verschiebung minimal. Für die Bestimmung von Substanzkonzen­ trationen in wässriger Umgebung wird daher der Durchlassbereich mindestens eines Detektors in diesem Wellenlängenbereich gewählt, so dass das Signal dieses Detektors als temperaturunabhängiges Referenzsignal vorliegt.

Fig. 8 zeigt die sieben binären Filterverläufe für die transkutane Bestimmung von Blut­ glukosekonzentrationen. Die spektrale Transmission jedes Filters ist durch jeweils eine horizontale Linie dargestellt. In den von der Linie überstrichenen Spektralteilbereichen weist der jeweilige Filter eine Transmission von im wesentlichen eins auf, in allen anderen Spektralteilbereichen eine Transmission von im wesentlichen null. Die dargestellten Filterverläufe maximieren die durch die Blutglukosekonzentrationsänderungen hervorge­ rufenen Änderungen der Detektorsignale.

Claims (11)

1. Mehrfachfilterphotometer zur Bestimmung von kleinen Konzentrationsänderungen in einem Mehrkomponenten-Substanzgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierte oder remittierte Strahlung mit mindestens drei breitbandigen Detektoren aufgenommen wird, die mit unterschiedlichen spektral binären, also im wesentlichen nur Transmissionen von nahe 0 und nahe 1 aufweisenden Filtern versehen sind.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der verwendeten Detektoren mindestens der Anzahl relevanter veränderlicher Parameter des Systems entspricht.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benutzten breitbandigen Filter so ausgewählt sind, dass mindestens eines der Filter auf einer bekannten Absorptionsbande der Zielsubstanz liegt, mindestens ein weiteres Filter außerhalb dieser Absorptionsbande, aber in unmittelbarer Nähe, und mindestens ein weiteres Filter bei einem größeren Spektralabstand, vorzugsweise einer dynamikinvarianten Absorptionsstelle liegt.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierenden Spektralteilbereiche der Filter so gewählt werden, dass die durch Änderungen der Substanzkonzentrationen und Umgebungsparameter verursachten Änderungen in den Detektorsignalen maximiert werden.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle ein thermischer Strahler verwendet wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mit Hilfe einer oder mehreren Glasfasern an den Untersuchungsort geführt wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die remittierte oder transmittierte Strahlung mit Hilfe eines Glasfaserbündels vom Untersuchungsort zu den einzelnen Detektoren geführt wird.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Bandpassfilter im Spektralbereich zwischen 0,6 und 2,5 µm liegen.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Substanzenkonzentrationen in wässriger Umgebung mindestens eines der Bandpassfilter bei 1,38 µm als interner Referenzfilter liegt.

10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung von Blutglukosekonzentrationen fünf bis acht Detektoren mit binären Spektralfiltern und jeweils drei bis vier transmittierenden Spektralteilbereichen verwendet werden.

11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung von Blutglukosekonzentrationen sieben Detektoren mit den in Fig. 8 dargestellten binären Filterverläufen verwendet werden.