PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69636967T2 20.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000764844
Titel Verfahren zur Analyse mittels Lichtstreuung
Anmelder ARKRAY, Inc., Kyoto, JP
Erfinder Ozaki, Yukihiro, Nishinomiya-shi, Hyogo-ken 662, JP;
Yamaguchi, Yoshinori, Higashi-Kujo, Minami-ku, Kyoto 601, JP;
Dou, Xiaoming, Higashi-Kujo, Minami-ku, Kyoto 601, JP;
Uenoyama, Harumi, Higashi-Kujo, Minami-ku, Kyoto 601, JP
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 69636967
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.09.1996
EP-Aktenzeichen 961150877
EP-Offenlegungsdatum 26.03.1997
EP date of grant 14.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/65(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01J 3/44(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer Zielsubstanz, die in einer Mischprobe beinhaltet ist, insbesondere einer Vitalsubstanz, wie z. B. Urin oder Blutplasma, durch ein Lichtstreuverfahren zum qualitativen und quantitativen Messen ihrer Komponente, wie z. B. Glukose, Aceton oder Harnstoff, und insbesondere bezieht sie sich auf ein Messverfahren und eine Messvorrichtung, die Anti-Stokes-Raman-Streuung als Lichtstreuung verwenden.

Beschreibung der Hintergrundtechnik

Es gibt viele Verfahren zum quantitativen Messen von Konzentrationen von Substanzen durch Lichtstreuung. In Bezug auf Verfahren, die Raman-Streuung einsetzen, gibt es ein Verfahren eines zerstörungsfreien Messens einer Konzentration durch die Tatsache, dass eine Raman-Streuungsintensität proportional zu der Glukose-Konzentration in einer Probe ist (Bezugnahme auf japanisches Patentoffenlegungsblatt Nr. 7-49309 (1995)). Dieses Verfahren verwendet Nah-Infrarot-Licht als Anregungslicht zum Unterdrücken einer Fluoreszenz von der Probe, kondensiert Streulicht von der Probe durch eine Linse, blockiert Rayleigh-Streulicht durch ein Kerbfilter ab und trennt danach das Streulicht durch ein Spektroskop in seine Spektralkomponenten zum Erhalten des Raman-Streuungsspektrums einer Zielsubstanz, die in der Probe beinhaltet ist, wodurch die Zielsubstanz bestimmt wird.

Allgemein wird ein Laser einer Nah-Infrarot- oder einer längeren Wellenlänge verwendet, um eine Zielsubstanz zu bestimmen, während eine Fluoreszenz, die aus einer Mischung einer Substanz, die aus einem Organismus hergeleitet ist, oder einer anderen fluoreszierenden Substanz erzeugt wird, vermieden wird („Laser Raman Bunko to Rinsho Igaku" von Yukihiro Ozaki u. a., 0 Plus E 1992 4 92–99). Die Intensität einer Raman-Streuung jedoch wird umgekehrt proportional zu der vierten Potenz der Anregungswellenlänge geschwächt und so wird die Intensität erfassten Lichts merklich geschwächt, wenn Nah-Infrarot-Licht als das Anregungslicht eingesetzt wird, verglichen mit einer Anregung durch sichtbares Licht.

Wenn das Anregungslicht eine längere Wellenlänge aufweist als sichtbares, müssen ein Detektor und ein Spektroskop geeignet für eine längere Wellenlänge gemacht werden. Nah-Infrarot-Oberflächen- und Array-Vorrichtungen sind gegenwärtig extrem hochpreisig. Während Verfahren zum Messen einer Raman-Streuung durch Nah-Infrarot-Wellenlängenlicht eine FT-Raman-Spektrometrie umfassen, die eine Fourier-Transformation einsetzt, ist ein FT-Raman-Spektroskop groß und nachteiligerweise benötigt die Messung eine lange Zeit.

Wenn eine Probe durch die zuvor genannte Raman-Streuung oder Lichtstreuung gemessen wird, verschwindet das Ziel-Streulichtspektrum von der Probe oft durch Fluoreszenz von der Probe. Die Fluoreszenz ist besonders intensiv, wenn die Probe ein Organismus selbst, eine Substanz, wie z. B. Blut, Urin, Exkremente, Speichel oder Tränen, getrennt und gesammelt von einem Organismus, oder Lebensmittel, Obst oder landwirtschaftliche Produkte ist.

In Raman-Streuungsspektren sind Spektren in Regionen zu beobachten, die große und kleine Photonenenergiewerte in Bezug auf Anregungslicht besitzen (diese Spektren werden im Folgenden als Anti-Stokes- bzw. Stokes-Linien bezeichnet). Die Stokes-Linie erscheint, da kleine Teile von Molekülen, die Photonen halten, nicht auf ihre ursprünglichen Schwingungsniveaus zurückkehren, sondern auf Schwingungsniveaus, die nach einem Freisetzen der gehaltenen Photonen unterschiedliche Elektronengrundzustände (höhere Niveaus als die Grundzustände) aufweisen, wenn spezifische Moleküle mit Licht bestrahlt werden. Andererseits erscheint die Anti-Stokes-Linie, da Elektronen, die ursprünglich auf Niveaus vorhanden waren, die eine höhere Energie aufweisen als Grundzustände, nicht in ihre ursprünglichen Niveaus zurückkehren, sondern nach einem Freisetzen eines Großteils der angelegten Photonen gemeinsam mit Teilen angelegter Photonen einen Übergang zu Grundzustandsniveaus machen. Die Energiebreiten der Anti-Stokes- und der Stokes-Linie werden nämlich zu Energiedifferenzen zwischen den Grundzuständen und Schwingungsanregungszuständen und so erscheinen die Anti-Stokes- und die Stokes-Linie allgemein an symmetrischen Positionen in Bezug auf Verschiebungswellenzahlen bezüglich des Anregungslichts.

Bei der Fluoreszenz andererseits ist ein Spektrum in einer Region vorhanden, die eine kleine Quantenenergie in Bezug auf das Anregungslicht aufweist, d. h. einer Region mit einer langen Wellenlänge, es sei denn, Anregungs- und Fluoreszenzspektrum schneiden einander deutlich. Unter einer Quantenbetrachtung wird die Fluoreszenz erzeugt, da Elektronen, die in Grundzuständen oder auf anderen Niveaus vorliegen, durch angelegte Energie durch die Energie angelegten Lichts angeregt werden und während eines Übergangs von den Anregungsenergieniveaus zu den Grundzuständen für einen Moment bei einer Anzahl von Niveaus bleiben. Die Fluoreszenz wird nämlich in einer Region erzeugt, die allgemein kleiner (längere Wellenlängenseite) ist als die Quantenenergie des Anregungslichts.

Deshalb ist es vorstellbar, dass ein Komponentenspektrum einer Zielsubstanz durch ein Verfahren einer Raman-Spektral-Analyse aus einer Probe erhalten werden kann, während ein Einfluss durch Fluoreszenz vermieden wird, wenn die Anti-Stokes-Linie in einer Raman-Streuungs-Analyse beobachtet wird, und eine Identifizierung und Bestimmung der Zielsubstanz können durch ein Beobachten einer Veränderung und Intensität des Spektrums der Zielsubstanz durchgeführt werden.

Eine Untersuchung der Anti-Stokes-Raman-Streuung umfasst eine kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) zum Einführen von Pumplicht und Sondenlicht in eine Zielsubstanz und Messen einer Anti-Stokes-Raman-Streuung. Bei dem Prinzip dieser Spektroskopie werden Wellenlängen zweier unterschiedlicher Schwingungszahlen in eine Probe eingeführt und Spektren werden erzwungenermaßen durch eine Übergangsschwingungszahl einer Raman-Streuung zum Oszillieren gebracht, wenn die Quantenenergiedifferenz des einfallenden Lichts mit der Übergangsschwingungszahl einer Raman-Streuung übereinstimmt, zur Nutzung der Tatsache, dass eine erzwungene Schwingung in dem Inneren der Substanz eine nicht-lineare Schwingung in Phase erzeugt. In einem Anti-Stokes-Raman-Spektrum durch CARS wird deshalb eine nichtlineare Wechselwirkung des Lichts und der Substanz erkennbar unähnlich zu der Beziehung zwischen einer Konzentration und einer Raman-Streuungsintensität der Zielsubstanz in einem normalen linearen Raman-Streuungs-Spektrum. Ferner liegen nicht-lineare Phänomene, wie z. B. Mehrfachphotonenabsorptionsübergang, Streuung durch einen kohärenten Raman-Prozess höherer Ordnung, induzierte Raman-Streuung, Erzeugung einer Summenfrequenz und einer höheren Harmonischen gemeinsam vor und das Spektrum spiegelt nicht notwendigerweise die Konzentration der Zielprobe linear wieder. Deshalb wird die CARS nicht als ein quantitatives Analyseverfahren eingesetzt.

Ferner sind viele Laserlichtquelleneinheiten für ein Spektroskopiesystem nötig und so wird die Vorrichtung aufwändig.

Dem Intensitätsverhältnis von Anti-Stokes-Raman- und Stokes-Raman-Streuungsspektrum kann man sich durch die folgende Gleichung einer Boltzmann-Verteilung annähern: Anti-Stokes-Intensität/Stokes-Intensität = exp (–h&ngr;/kT), wobei k die Plancksche Konstante darstellt, k die Boltzmann-Konstante darstellt, T die absolute Temperatur darstellt und &ngr; die Raman-Verschiebungswellenzahl darstellt.

1 zeigt berechnete Werte von Intensitätsverhältnissen einer Anti-Stokes-Raman- und einer Stokes-Raman-Linie unter der Annahme, dass der absolute Wert 300 K beträgt, auf der Basis der Boltzmann-Verteilung. Wenn die Probetemperatur 300 K beträgt, beträgt das Intensitätsverhältnis bei –1.000 cm–1 (Minusvorzeichen der Wellenzahl drückt eine Anti-Stokes-Raman-Streuung aus, durch Verschieben in Richtung einer kürzeren Wellenlängenseite als der Anregungswellenlänge) 0,008 und bei –1.500 cm–1 0,007. Deshalb wurde es allgemein bisher als unmöglich erachtet, Anti-Stokes-Raman-Streulicht durch normale lineare Raman-Spektroskopie zu erfassen.

In „Polarisation Sensitive Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Spectroscopy of the Amide I Band of proteins in Solutions" (polarisationsempfindliche kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuspektroskopie des Amid-I-Bands von Proteinen in Lösungen), Biophysical Journal, Band 63, Seiten 976 bis 985 ist eine weiter entwickelte polarisationsempfindliche Variante der CARS, d. h. PCARS, beschrieben. Bei CARS sowie PCARS wird das erfasste Streulicht an Elektronen erzeugt, die im Grundzustand sind, und nur in dem Fall, dass zwei Photonen einer Pumpstrahlfrequenz &ohgr;p und ein Photon einer Stokes-Strahlfrequenz &ohgr;s in Wechselwirkung stehen, um zuerst das Elektron auf ein Niveau zu aktivieren, das eine höhere Energie aufweist als der Grundzustand, und dann zweitens ferner das Elektron durch eine Energie zu aktivieren, die der Frequenz &ohgr;p entspricht.

Die WO 94/24545 A1 beschreibt ein Raman-Spektrometer, das die Messung von Raman-Emissionen ermöglicht. Dieses Dokument beschreibt ein Raman-Spektrometer unter Verwendung eines Filters zur Beseitigung von Licht mit unerwünschten Wellenlängen. Ein herkömmliches Raman-Spektrometer mit einem Dove-Prisma, das verwendet wird, um gesammelte Emissionen zu konditionieren und in einen Eintrittsschlitz eines Spektrometers zu richten, ist ebenso beschrieben. Gemäß den Ausführungsbeispielen dieses Dokuments wird das Filtern durch ein Resonanz-Rayleigh-Filter erzielt, wobei dieses Filter eine Gaszelle umfasst, die mit z. B. einem monoatomaren Dampf, wie z. B. Rubidium, gefüllt ist, ausgewählt, um eine Absorptionsresonanz bei der Frequenz des Rayleigh-Streulichts zu besitzen, die die Frequenz der Laserdiodenarrays oder anderer Einfallslichtquellen ist. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist das Resonanz-Rayleigh-Filter einen optischen Resonanzhohlraum auf, der das gesamte Rayleigh-Licht durchlässt, während er das gesamte inner-elastische Streu-Raman-Licht reflektiert.

Die US 5,247,343 beschreibt ein Raman-Spektrometer, das ein Interferometer mit optischen Subtraktionsfiltern aufweist. Die Filter sind in dem Eingangs- bzw. Ausgangsstrahl des Interferometers eingesetzt und erzielen ein synergistisches Filtern, was die Summe eines Filterns, die durch die einzelnen Filter erhalten wird, übersteigt.

Die US 5,386,295 beschreibt ein Nach-Erfassungs-Spektro-Photometer, bei dem ein Vorkonditionierungsfilter zur Entfernung unerwünschter Wellenlängen verwendet wird. Ferner wird ein Konditionierungsfilter mit einem und komplementär zu einem Vorkonditionierungsfilter verwendet, d. h. das Konditionierungsfilter entfernt die gesamte Intensität bei den Wellenlängen, die durch das Vorkonditionierungsfilter durchlaufen durften. Als Beispiele für das Konditionierungsfilter 41 sind Kerbfilter offenbart.

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, es möglich zu machen, Anti-Stokes-Raman-Streulicht zu erfassen, indem ein herkömmliches Raman-Spektroskopiesystem als solches verwendet wird, während weder ein hochpreisiges FT-Raman-Spektroskop noch ein CCD mit längerer Wellenlänge, das als ein Photodetektor dient, verwendet wird, indem eine erfasste Wellenlänge auf eine kürzere Wellenlängenseite als eine Anregungswellenlänge gesetzt wird.

Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine korrekte qualitative/quantitative Analyse zu ermöglichen, indem es möglich gemacht wird, eine Fluoreszenz, die erzeugt wird, wenn eine Probe angeregt wird, in dem Fall einer Verwendung dieses Verfahrens als ein Probeanalyseverfahren zu vermeiden.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Bestrahlen einer Probe mit Anregungslicht zum Messen einer Zielsubstanz in der Probe durch Anti-Stokes-Raman-Streulicht in gestreutem Licht, das von der Probe erzeugt wird.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf ein quantitatives Analyseverfahren angewendet wird, wird eine Verschiebungswellenzahl, die eine hervorragende Korrelation zwischen der Konzentration der Zielsubstanz in der Probe und einer Anti-Stokes-Raman-Streuungs-Intensität aufweist, als eine Messverschiebungswellenzahl ausgewählt, die spezifisch für die Zielsubstanz ist, eine Anti-Stokes-Raman-Streuungs-Intensität bei der Messverschiebungswellenzahl wird erfasst und die Zielsubstanz in der Probe wird quantitativ durch eine Kalibrierungskurve analysiert.

Die Messverschiebungswellenzahl ist eine Verschiebungswellenzahl mit einem Korrelationskoeffizienten R von zumindest 0,6, vorzugsweise zumindest 0,8, zwischen der Konzentration der Zielsubstanz und der Anti-Stokes-Raman-Streuungsintensität. Der Korrelationskoeffizient R ist ein Wert, der durch die folgende Gleichung berechnet wird:

wobei xi die Konzentration an jedem Punkt jeder Zielsubstanz darstellt, yi eine Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektralintensität in Bezug auf xi darstellt, X einen durchschnittlichen Konzentrationswert jeder Zielsubstanz darstellt und Y einen durchschnittlichen Wert einer Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektralintensität darstellt.

Eine exemplarische Probe, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, ist eine Vitalsubstanz, wie z. B. Urin oder Blutplasma, und eine exemplarische Zielsubstanz ist eine Komponente, wie z. B. Glukose, Aceton oder Harnstoff, die in der Vitalsubstanz beinhaltet ist.

Eine Messvorrichtung weist ein Anregungslichtquellenteil, das eine Anregungslichtquelle zum Bestrahlen einer Probe mit Anregungslicht aufweist, ein Probeteil, an dem die Probe mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, ein optisches Konvergenzeinstellteil zum konvergieren Lassen bzw. Sammeln von Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, die mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, und ein Photoempfangsteil, das einen Photodetektor zum Erfassen des Streulichts aufweist, was eine Dichte eines Anti-Stokes-Raman-Streuungslichts erhöht, auf.

Das optische Konvergenzeinstellteil könnte eine Linse mit chromatischer Aberration aufweisen und das Photoempfangsteil könnte ein Einlasstor für das Streulicht an einer Bilderzeugungsposition der Linse durch Licht einer kürzeren Wellenlänge als einer Wellenlänge des Anregungslichts aufweisen.

Das Photoempfangsteil könnte außerdem einen Dispersionsmechanismus, wie z. B. ein Spektroskop, zum Trennen des Streulichts, das von dem Einlasstor einfällt, in seine Spektralkomponenten aufweisen, so dass der Photodetektor des Photoempfangsteils eine Anti-Stokes-Raman-Streuungsintensität erfassen kann, oder das optische Konvergenzeinstellteil könnte ein Bandpassfilter zum Durchlassen nur einer Verschiebungswellenzahl von Anti-Stokes-Raman-Streulicht, das erfasst werden soll, aufweisen, so dass das Photoempfangsteil das Streulicht, das von dem Einlasstor an dem Photodetektor einfällt, erfasst, ohne das Streulicht in seine Spektralkomponenten zu trennen.

Das Anregungslichtquellenteil weist vorzugsweise ein Bandpassfilter zum Durchlassen nur einer Anregungslichtwellenlänge, die an die Probe angelegt wird, auf.

Das optische Konvergenzeinstellteil könnte eine Linse mit kleiner chromatischer Aberration zum konvergieren Lassen des Streulichts, das von der Probe erzeugt wird, und Führen desselben zu der Linse mit chromatischer Aberration als paralleler Strahl auf eine Lichteinfallsseite der Linse mit chromatischer Aberration aufweisen.

Das optische Konvergenzeinstellteil weist vorzugsweise ein holographisches Kerbfilter auf, das die Anregungslichtwellenlänge in seiner Kerbregion umfasst, oder ein Schnittfilter zum Abblockieren der Anregungslichtwellenlänge und einer längeren Wellenlängenseite zum Entfernen einer Anregungslichtwellenlängenkomponente. In dem Fall des holographischen Kerbfilters ist die Kerbregion vorzugsweise symmetrisch zu einer Bandpassregion des Anregungslichtquellenteils.

Das Einlasstor des Photoempfangsteils könnte ein Einlassschlitz eines Spektroskops oder eine erste Endoberfläche eines optischen Faserbauteils mit einzelnem Kern sein. Wenn das optische Faserbauteil eingesetzt wird, könnte dessen zweite Endoberfläche zu dem Spektroskop oder dem Photodetektor geführt sein.

Die Entfernung zwischen der Linse des optischen Konvergenzeinstellteils mit chromatischer Aberration und dem Einlasstor ist vorzugsweise variabel, so dass eine Wellenlänge, die eine Photoempfangsdichte maximiert, verändert werden kann.

Um eine Erzeugungseffizienz von Anti-Stokes-Raman-Streulicht zu verbessern, weist das Probeteil vorzugsweise eine sphärische Zelle und eine Integrationskugeltyp-Zellhalterung auf, die eine reflektierende Oberfläche als einen Abschnitt zum Halten der Zelle aufweist.

Um eine Reproduzierbarkeit gemessener Daten durch ein Korrigieren einer Intensitätsveränderung von Lichtquellenlicht zu verbessern, weist die Vorrichtung vorzugsweise ferner ein optisches System zum Erfassen eines Teils des Anregungslichts als Referenzlicht auf, so dass eine erfasste Intensität von Anti-Stokes-Raman-Streulicht durch diejenige des Referenzlichts korrigiert wird.

Wenn die Vorrichtung ferner ein Datenverarbeitungsteil zum Multiplizieren einer Boltzmann-Verteilung, die die Existenzwahrscheinlichkeit einer Anti-Stokes-Raman-Streuung zeigt, mit einem Photoempfangsdichtenverstärkungseffekt einer Anti-Stokes-Raman-Streuung durch die vorliegende Erfindung und Korrigieren des Ergebnisses zur Durchführung einer Operation, so dass eine Photoempfindlichkeit für das Anti-Stokes-Raman-Streulicht über einen vorgeschriebenen Bereich auf einer kürzeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwelle konstant ist, aufweist, wird die Genauigkeit einer quantitativen Analyse vorzugsweise verbessert.

Das Messverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist angepasst, um eine Vitalsubstanz oder eine andere Substanz durch eine Anti-Stokes-Raman-Linie zu messen, wodurch eine Raman-Streuung der Substanz durch einen Laserstrahl mit z. B. 1.064 nm gemessen werden kann, der als das Anregungslicht dient, da die Anti-Stokes-Raman-Linie selbst dann auf einer kürzeren Wellenlängenseite als das Anregungslicht erscheint, wenn die Empfindlichkeit eines Detektors gerade einmal 1.000 nm beträgt. So wird der einsetzbare Bereich des Detektors verbreitert.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen einer leicht fluoreszierenden Probe, wie z. B. einer Vitalprobe, eingesetzt wird, ist es nicht nötig, die Wellenlänge einer Laserlichtquelle zum Vermeiden einer Fluoreszenz auszuwählen, und eine Raman-Streuungsmessung kann mit einem relativ niederpreisigen Laser, der eine hohe Oszillationsenergie aufweist, während eine Fluoreszenz vermieden wird, durchgeführt werden. Da Lasereinheiten mit hoher Oszillationsenergie auf wenige Arten von Oszillationswellenlängen eingeschränkt sind, ist es vorteilhaft, in der Lage zu sein, die Anregungswellenlänge auszuwählen, ohne eine Fluoreszenz bei der Nutzung der Lasereinheiten mit hoher Oszillationsenergie zu vermeiden.

Da eine Fluoreszenz vermieden werden kann, wird das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und die Messung einer kleinen Probemenge wird ermöglicht. Eine Vitalsubstanzprobe könnte durch nur eine kleine Menge erhältlich sein und so ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich zur Messung einer Vitalsubstanz.

Das Messen ist angepasst, um eine Probe mit Anregungslicht einer einzelnen Wellenlänge zu bestrahlen, Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, durch eine Linse mit chromatischer Aberration konvergieren zu lassen und das Licht an einer Position näher an der Linse als eine Bilderzeugungsposition durch Licht einer Anregungslichtwellenlänge auf der optischen Achse der Linse zum Verbessern einer Photoempfangsdichte von Anti-Stokes-Raman-Streulicht auf einer kürzeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge zu empfangen, wodurch eine Messung von Anti-Stokes-Raman-Streulicht durch eine normale Raman-Messvorrichtung, was allgemein als schwierig erachtet wurde, ermöglicht wird.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 stellt berechnete Werte von Intensitätsverhältnissen einer Anti-Stokes-Raman- und Stokes-Raman-Linie unter der Annahme, dass eine absolute Temperatur 300 K beträgt, auf der Basis einer Boltzmann-Verteilung dar;

2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Vorrichtung zeigt, die bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

3A und 3B zeigen Funktionen einer Sammellinse, die an einem optischen Einstellteil gemeinsam mit einer Kameralinse zum Umwandeln eines Einfallslichts in einen Parallelstrahl vorgesehen ist, bzw. einer Sammellinse, die unabhängig an dem optischen Einstellteil vorgesehen ist;

4 ist ein Graph, der Brechungsindizes zeigt, die mit Wellenlängen eines optischen Linsenmaterials BK7 variieren;

5A, 5B und 5C stellen Optische-Dichte-Verhältnisse bei jeweili gen Raman-Verschiebungswellenzahlpositionen in dem Fall, dass Photoempfangspositionen unterschiedlich gemacht werden, dar;

6A und 6B sind Flussdiagramme, die ein Verfahren zum Be rechnen einer Korrekturumkehrfunktion durch eine Standardsubstanz und Speichern derselben, bzw. ein Verfahren zum Messen einer unbekannten Probe, um eine Photoempfindlichkeit für ein Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum konstant zu machen, zeigen;

7 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zeigt;

8 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die eine Zelle und eine Zellhalterung, die in der in 7 gezeigten Messvorrichtung verwendet werden, zeigt;

9A und 9B sind ein Diagramm, das das Raman-Streuungs-Spek trum von 99% Aceton zeigt, gemessen in einem herkömmlichen Vorrichtungssystem, bzw. eine vergrößerte Ansicht desselben;

10A und 10B sind ein Diagramm, das das Raman-Streuungs-Spektrum von 99% Aceton, gemessen durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, zeigt, bzw. eine vergrößerte Ansicht desselben;

11A und 11B sind ein Diagramm, das das Raman-Streuungs-Spek trum einer wässrigen Glukoselösung von 1 M, gemessen durch die Vorrichtung des Ausführungsbeispiels, zeigt, bzw. eine vergrößerte Ansicht desselben;

12 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das das Streuungsspektrum von menschlichem Urin zeigt;

13 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das das Streuungsspektrum einer Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die 2 M Glukose beinhaltet, zeigt;

14 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der gleichen Probe wie derjenigen aus 13 zeigt;

15 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das die Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektren von Urinproben mit unterschiedlichen Glukosekonzentrationen zeigt;

16 stellt die Korrelation zwischen einer Anti-Stokes-Raman-Streuungsintensität in der Umgebung von –1.131 cm–1 und Glukosekonzentrationen dar;

17 stellt Korrelationskoeffizienten R zwischen einer Anti-Stokes-Raman-Streuung und Glukosekonzentrationen (32 bis 1.000 mg/dl) bei –2.000 bis –100 cm–1 dar;

18 stellt Korrelationskoeffizienten R zwischen einer Anti-Stokes-Raman-Streuung und Glukosekonzentrationen (32 bis 514 mg/dl) bei –2.000 bis –100 cm–1 dar;

19A und 19B sind ein Diagramm, das das Raman-Streuungsspek trum einer Probe, die aus menschlichem Blutplasma hergestellt wird, die 1 M Glukose beinhaltet, gemessen durch die Vorrichtung des Ausführungsbeispiels, zeigt, bzw. eine vergrößerte Ansicht desselben;

20 stellt Korrelationskoeffizienten R zwischen einer Anti-Stokes-Raman-Streuung in der Umgebung von –1.130 cm–1 und Glukosekonzentrationen dar;

21 stellt Korrelationskoeffizienten zwischen Glukosekonzentrationen in menschlichem Blutplasma und einer Anti-Stokes-Raman-Streuung bei –2.000 bis 0 cm–1 dar;

22 stellt das Streuungsspektrum einer Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die Aceton beinhaltet, dar;

23 stellt das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der gleichen Probe wie derjenigen aus 22 dar;

24 stellt das Streuungsspektrum einer Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die Harnstoff beinhaltet, dar;

25 stellt das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der gleichen Probe wie derjenigen aus 26 dar;

26 stellt das Streuungsspektrum einer Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die Glukose, Aceton und Harnstoff beinhaltet, dar;

27 stellt das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der Probe dar;

28 stellt die Korrelation zwischen einer Glukosekonzentration und einer Spektralintensität in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die Glukose, Aceton und Harnstoff beinhaltet, dar;

29 stellt die Korrelation zwischen einer Acetonkonzentration und einer Spektralintensität in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die Glukose, Aceton und Harnstoff beinhaltet, dar; und

30 stellt die Korrelation zwischen einer Harnstoffkonzentration und einer Spektralintensität in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum der Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt wird, die Glukose, Aceton und Harnstoff beinhaltet, dar.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zeigt, die bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Bezugszeichen 2 bezeichnete eine Anregungslichtquelle, die geeigneterweise aus einer Lasereinheit mit hoher Oszillationsenergie hergestellt ist, wie z. B. einem Argon-Ionen-Laser (514,5 nm und 100 mW). Ein Anregungsstrahl 4 von dem Laser 2 läuft durch ein Bandpassfilter 6, so dass sein Seitenbandentfernt wird, und wird durch eine Kollimatorlinse 8 an eine Probe in einer Probekammer 10 angelegt. Die Probe ist in einer Zelle gelagert, wenn die Probe eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, während keine derartige Zelle erforderlich ist, wenn die Probe ein Feststoff ist.

Ein optisches Konvergenzeinstellteil 16 ist zum Empfangen und Einstellen von Streulicht von der Probe vorgesehen. Das optische Konvergenzeinstellteil 16 weist z. B. eine Kameralinse 12 und eine Sammellinse 14 auf. Die Kameralinse 12, die angepasst ist, um das Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, die durch den Anregungsstrahl 4 angeregt wird, in einer Richtung von 90° zu empfangen und das Streulicht in parallele Strahlen umzuwandeln, ist eine zusammengesetzte Linse, die aus einem Material hergestellt ist, das eine kleine chromatische Aberration aufweist. Allgemein ist eine Kameralinse so entworfen, dass die chromatische Aberration minimiert ist, und eine derartige allgemeine Kameralinse kann hier eingesetzt werden. Die Kameralinse 12 kann vorzugsweise alle Wellenlängenstrahlen von 450 bis 650 nm in parallele Strahlen umwandeln, unter der Annahme, dass das Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, von einem Punkt erzeugt wird. Andererseits ist die Sammellinse 14, die eine Linse mit chromatischer Aberration ist, durch ein allgemeines optisches Linsenmaterial von z. B. BK7 gebildet. Die Sammellinse 14 empfängt die parallelen Strahlen von der Kameralinse 12 und lässt die Strahlen an Brennpunkten ansprechend auf die Wellenlängen konvergieren.

Ein Einlassschlitz 19 eines Spektroskops 18 ist an einer Fokusposition einer erwünschten Wellenlänge durch die Sammellinse 14 als ein Einlasstor vorgesehen und dieser Einlassschlitz 19 weist eine Breite von etwa 200 &mgr;m auf. Die mit dem Einlassschlitz 19 vorgesehene Position ist diejenige, an der Anti-Stokes-Raman-Streulicht, das erfasst werden soll, konvergiert wird.

Das Spektroskop 18 ist ein einzelnes Spektroskop, das ein Beugungsgitter 20 mit 300 G/mm mit einer Blaze-Wellenlänge von 500 nm verwendet, und seine Auflösung beträgt 6,8 cm–1 (0,18 nm/Pixel). Bei diesem Spektroskop 18 bezeichnen Bezugszeichen 22, 24 und 26 jeweilige Spiegel.

Ein Detektor 28, der eine CCD-Bildaufnahmevorrichtung (von EG&G, U.S.A., Wellenlänge: 200 bis 1.100 nm) mit 256 mal 1.024 Pixeln eines Flüssigstickstoffkühlungstyps ist (EEV-Vorrichtung), empfängt und erfasst gleichzeitig mehrere Wellenlängen, die durch das Spektroskop 18 getrennt werden. Ein Polychrometer ist durch das Spektroskop 18 und den Detektor 28 gebildet.

Erfassungssignale des Detektors 28 werden über ein optisches Faserbauteil 30 an einen Personalcomputer 32, der als ein Datenprozessor dient, übertragen, um einer Datenverarbeitung unterzogen zu werden.

Bezug nehmend auf 2 ist ein holographisches Kerbfilter 34, das eine Anregungsstrahlwellenlänge in seiner Kerbregion umfasst, zwischen der Kameralinse 12 und der Kondensorlinse 14 angeordnet, um eine Anregungsstrahlkomponente aus dem Streulicht zu entfernen. Das holographische Kerbfilter ist z. B. bei Kaiser Optical Systems, Inc. (U.S.A.) erhältlich. Dieses holographische Kerbfilter 34 weist Charakteristika eines. vollständigen Abblockierens von Wellenlängenlicht, das in der Kerbregion beinhaltet ist, während zumindest 80 % von Licht in anderen Wellenlängenregionen als der Kerbregion durchgelassen werden, auf.

Die 3A und 3B sind angepasst, um die Funktion der Sammellinse 14 darzustellen.

3A entspricht einem optischen System aus 2. Die Kameralinse 12 wandelt das Streulicht, das von der Probe 10 erzeugt wird, in parallele Strahlen 40 um, die auf die Sammellinse 14 einfallen. Die parallelen Strahlen 40 weißer Strahlen, die auf die Sammellinse 14 mit chromatischer Aberration einfallen, erzeugen Bilder an Positionen, die mit Wellenlängen variiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Verschiebungen von Fokuspositionen abhängig von den Wellenlängen an der Sammellinse 14 genutzt und das kleine Einlasstor ist an einer Position zum konvergieren Lassen von Anti-Stokes-Raman-Streulicht angeordnet, wodurch eine Photoempfangsdichte des Anti-Stokes-Raman-Streulichts verbessert wird.

In dem optischen Einstellteil könnte die Kameralinse 12 weggelassen werden, so dass die Sammellinse 14 mit chromatischer Aberration direkt das Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, empfängt. 3B zeigt die Funktion der Sammellinse 14 in dem Fall eines Weglassens der Kameralinse 12. Die Sammellinse 14 ist an einer Position getrennt von einem Streulichterzeugungspunkt 10a der Probe in der Entfernung einer doppelten Brennweite oder mehr angeordnet und bildet Bilder des Streulicht-Erzeugungspunkts 10a an Positionen, die mit den Wellenlängen variiert werden. Außerdem ist es in diesem Fall möglich, die Photoempfangsdichte des Anti-Stokes-Raman-Streulichts zu verbessern, indem Verschiebungen von Brennweiten, die mit den Wellenlängen variiert werden, an der Sammellinse 12 verwendet werden und das kleine Einlasstor an der Position zum konvergieren Lassen des Anti-Stokes-Raman-Streulichts angeordnet wird.

Das Material für die Sammellinse 14 mit chromatischer Aberration kann aus optischem Glas, wie z. B. BK7, synthetischem Quarz, Saphir oder SF11 hergestellt sein. 4 stellt Brechungsindexvariationen mit Wellenlängen in dem Fall einer Verwendung eines allgemeinen optischen Linsenmaterials von BK7 dar. Der Brechungsindex wird in dem Bereich von 300 bis 700 nm merklich variiert. Dies trifft auch auf andere optische Glasmaterialien zu.

Wenn ein Argon-Ionen-Laser als eine Anregungslichtquelle zum Messen von Raman-Streuungsspektren eingesetzt wird, entspricht eine Region von –4.000 bis 4.000 cm–1 (negative Region: Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum) einer Wellenlänge von 420 bis 650 nm. Die Region einer Anti-Stokes-Linie nämlich wird vorzugsweise merklich durch die chromatische Aberration der Sammellinse beeinflusst und die chromatische Aberration kann wirksam eingesetzt werden.

Wenn die chromatische Aberration der Linse genutzt wird, ist es möglich, Licht einer Region, die eine längere Wellenlänge als das Anregungslicht aufweist, in den Einlassschlitz einzuführen, während eine Photoempfangsdichte gesenkt wird, und Licht einer Region, die eine kürzere Wellenlänge als das Anregungslicht aufweist, in den Einlassschlitz einzuführen, während eine optische Dichte erhöht wird. Ausgedrückt in einem Raman-Streuungsspektrum kann Licht in den Einlassschlitz eingeführt werden, während eine Photoempfangsdichte einer Anti-Stokes-Linie verglichen mit derjenigen einer Stokes-Linie erhöht wird.

Tabelle 1 zeigt Entfernungen von Fokalverschiebungen durch Wellenlängenaberration einfallenden Lichts in dem Fall, dass die Brennweite der Sammellinse 10 mm gemacht wird (Wert bei einer Wellenlänge von 500 nm). Numerische Werte in Tabelle 1 drücken Fokalpositionen aus (mm).

[Tabelle 1]

Die 5A bis 5C zeigen optische Dichten an Brennpunkten, berechnet aus Entfernungen von Verschiebungslängen durch die Aberration aus Tabelle 1. 5A zeigt Ergebnisse von Dichteverhältnissen, die unter der Annahme erhalten werden, dass Licht mit 500 nm Wellenlänge ein kreisförmiges Bild mit einem Durchmesser von 200 &mgr;m auf dem Brennpunkt bildet, durch ein Berechnen von Größen (Flächen) von Bildern, die durch Strahlen anderer Wellenlängen (ausgedrückt in Raman-Verschiebungswellenzahlen) an der Bilderzeugungsposition des Lichts mit einer Wellenlänge von 500 nm erzeugt werden, und unter der Annahme, dass die Dichte des Lichts mit einer Wellenlänge von 500 nm 1 beträgt. Die 5B und 5C zeigen Ergebnisse, die durch ein ähnliches Durchführen einer Berechnung an Fokalpositionen von Strahlen mit Verschiebungswellenzahlen von –2.000 cm–1 bzw. –4.000 cm–1 und ein Annehmen, dass die Dichten der jeweiligen Wellenlängenstrahlen 1 sind, erhalten werden. Eine Wellenzahl 0 cm–1 zeigt eine Anregungslichtwellenlänge, eine Minusseite zeigt eine Anti-Stokes-Raman-Region und eine Plus-Seite zeigt eine Stokes-Raman- und Fluoreszenzregion. Bei dem Beispiel aus 5B ist das Dichte-Verhältnis nicht mehr als 1/2 auf einer längeren Wellenlängenseite mit einer Verschiebungswellenzahl von zumindest 1.000 cm–1. So ist es möglich, die Fluoreszenzdichte zu reduzieren und die Anti-Stokes-Raman-Streulichtdichte zu erhöhen, indem das Einlasstor an einer Fokalposition auf einer kürzeren Wellenlängenseite als der Anregungswellenlänge platziert wird.

Wie aus den 5A bis 5C zu sehen ist, ist es möglich, eine Wellenlänge, die in der Maximaldichte empfangen wird, willkürlich auszuwählen, indem die Entfernung zwischen der Sammellinse 14 und dem Einlasstor, wie z. B. dem Einlassschlitz 19, variabel gemacht wird.

Es ist möglich, den Personalcomputer 32, der ein Datenverarbeitungsteil implementiert, mit einer Funktion eines Multiplizierens der Boltzmann-Verteilung aus 1, die die Wahrscheinlichkeit eines Vorliegens einer Anti-Stokes-Raman-Streuung zeigt, mit einem Photoempfangsdichteverstärkungseffekt (5B und 5C) auf einer kürzeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge aufgrund der Anordnung des Einlasstors für das Spektroskop, und eines Korrigierens des Ergebnisses zur Durchführung einer Operation, so dass eine Photoempfindlichkeit für das Anti-Stokes-Raman-Streulicht über einen vorgeschriebenen Bereich auf einer kürzeren Wellenlängenseite konstant ist, zu versehen. Die 6A und 6B zeigen Verfahren zum Implementieren dieser Funktion.

6A zeigt das Verfahren dessen, dass eine Photoempfindlichkeit von Anti-Stokes-Raman-Streulicht konstant gemacht wird. Das Einlasstor für das Spektroskop ist an der Fokalposition durch das Licht der kürzeren Wellenlänge als der Anregungslichtwellenlänge angeordnet und eine Standardsubstanz wird gemessen, um ein Anti-Stokes-Raman-Streulichtspektrum zu erhalten. Eine Korrekturumkehrfunktion wird berechnet, so dass die Empfindlichkeit für das Spektrum über einen vorgeschriebenen Bereich konstant ist, und wird gespeichert. Das gemessene Anti-Stokes-Raman-Streulichtspektrum wird mit der Korrekturumkehrfunktion korrigiert und ausgegeben.

Dann wird das Einlasstor für das Spektroskop an der gleichen Position wie derjenigen zum Messen der Standardsubstanz zum Messen einer unbekannten Probe und Erhalten eines Anti-Stokes-Raman-Streulichtspektrums angeordnet, wie in 6B gezeigt ist. Auf die Korrekturumkehrfunktion wird zur Durchführung einer Korrekturoperation an dem Spektrum zugegriffen, wodurch ein Anti-Stokes-Raman-Streulichtspektrum der unbekannten Probe erhalten wird, das so korrigiert ist, dass eine Photoempfindlichkeit konstant ist.

So wird die Durchführung einer quantitativen Analyse durch eine Spektralintensität oder einen Spektralspitzenbereich durch die Durchführung einer Korrektur vereinfacht, so dass die Photoempfindlichkeit konstant ist.

Während das Photoempfangsteil das Spektroskop zum Trennen des Streulichts, das auf das Einlasstor einfällt, in seine Spektralkomponenten in der in 2 gezeigten Messvorrichtung aufweist, könnte alternativ ein Bandpassfilter zum Durchlassen nur einer Verschiebungswellenzahl von Anti-Stokes-Raman-Streulicht, das erfasst werden soll, an dem optischen Konvergenzeinstellteil 16 vorgesehen sein, so dass das Photoempfangsteil das Streulicht, das von dem Einlasstor einfällt, in dem Photodetektor erfasst, ohne das Streulicht in seine Spektralkomponenten zu trennen.

Die 7 und 8 zeigen eine Messvorrichtung, die zur Durchführung einer tatsächlichen Messung eingesetzt wird. Abschnitte, die identisch wie diejenigen in 2 sind, sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Bezug nehmend auf 7 ist der optische Weg eines Anregungsstrahls 4, der aus einer Lasereinheit emittiert wird, die als eine Anregungslichtquelle 2 dient, durch ein Prisma 40 gebogen, so dass der Anregungsstrahl 4 in einen schmalen Strahl durch ein Bandpassfilter 6 und eine Kollimatorlinse 8 umgewandelt und an eine Probe in einer Probekammer 10 angelegt wird. Die Probekammer 10 weist eine sphärische Quarzdurchflusszelle 42 und eine Integrationskugeltyp-Zellhalterung 44, die die Durchflusszelle 42 hält, auf, wie unter Bezugnahme auf 8 später detaillierter beschrieben ist.

Ein optisches Konvergenz- bzw. Sammelsystem zum konvergieren Lassen von Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, die mit dem Anregungsstrahl in der Durchflusszelle 42 bestrahlt wird, weist eine Kameralinse 12 mit kleiner chromatischer Aberration, die als eine Objektivlinse dient, ein holographisches Kerbfilter 34 und eine Sammellinse 14 mit chromatischer Aberration auf. Ein Spektroskop 18 und ein Detektor 28 sind so, wie in 2 detailliert gezeigt ist.

Die Sammellinse 14 wird getragen, um entlang ihrer optischen Achse bewegbar zu sein, und weist ein Betätigungselement 48 auf, dessen Treiben durch eine Mikropositionsvorrichtung 46 gesteuert wird, die durch einen Personalcomputer 32 gesteuert wird, um in der Lage zu sein, sich einem Einlassschlitz des Spektroskops 18 anzunähern und von demselben zu trennen.

Diese Messvorrichtung ist mit einem optischen Korrektursystem versehen, um in der Lage zu sein, eine Lichtquellenintensität zu messen und eine Streulichtintensität zu korrigieren. Dieses optische Korrektursystem weist ein Gleitglasbauteil 50 aus transparentem Plattenglas, das schräg über einen optischen Weg zwischen dem Bandpassfilter 6 und der Kollimatorlinse 8 zum Herausführen eines Teils des Anregungsstrahls 4 als Referenzlicht 40r angeordnet ist, ein weiteres Gleitglasbauteil 52 zum Biegen des optischen Wegs des Referenzlichts 40r, das durch das Gleitglasbauteil 50 herausgeführt wurde, ein Neutraldichtefilter 54 zum Einstellen von Lichtmengen und noch ein weiteres Gleitglasbauteil 56, das schräg über einen optischen Weg zwischen dem holographischen Kerbfilter 34 und der Sammellinse 14 zum Einführen des Referenzlichts 40r, das durch die Auslöschfilter 54 durchgelassen wird, in das Spektroskop 18 angeordnet ist, auf. Das Referenzlicht 40r fällt auf das Spektroskop 18 mit Streulicht von der Probe ein und wird in seine Spektralkomponenten gemeinsam mit dem Streulicht getrennt und durch den Detektor 28 erfasst.

Die erfasste Intensität des Streulichts wird durch diejenige des Referenzlichts 40r dividiert, wodurch eine Streulichtausgabe, bei der eine Fluktuation der Lichtquellenintensität korrigiert ist, erhalten wird.

7 zeigt ferner einen Treiber 60 für die Lichtquelle und eine Fernabtaststeuerung 62 für das Spektroskop, die durch den Personalcomputer 32 gesteuert werden. Der Personalcomputer 32 empfängt außerdem Erfassungsausgaben des Detektors 28 zum Durchführen einer Datenverarbeitung derselben, wodurch dieser auch als ein Datenprozessor dient. 7 zeigt außerdem eine Ausgangseinheit 64 zum Ausgeben gemessener Daten, usw. und eine Leistungseinheit 66 für den Detektor 28.

8 zeigt eine Zelle 42, die in der Probekammer in dieser Messvorrichtung verwendet wird, und eine Zellhalterung 44 zum Halten der Zelle 42. Die Zelle 42 ist eine Kugelquarzdurchflusszelle, die mit einem zylindrischen Einlass- und Auslassteil 60a und 60b auf beiden Seiten ihres Körpers versehen ist. Die Zellhalterung 44 eines Integrationskugeltyps besteht aus zwei Teilen 44a und 44b, die miteinander zum Halten der Zelle 42 kombiniert sind, und weist ein Integrationskugelteil 60 zum Halten eines Kugelteils der Durchflusszelle 42, Halteteile 62a und 62b, die mit dem Integrationskugelteil 60 kommunizieren, zum Halten des Einlass- und Auslassteils 60a und 60b der Zelle 42, ein Einlassloch 64 zum Einführen des Anregungsstrahls und ein Auslassloch 66, das nach außen größer wird, zum Herausführen von Streulicht, das in der Zelle 42 erzeugt wird, in einer Richtung mit 90° in Bezug auf die Einfallslichtrichtung auf.

Aufgrund einer Nutzung einer derartigen Integrationskugeltyp-Zellhalterung wird der Anregungsstrahl, der durch das Einlassloch 64 einfällt, mehrfach durch den Integrationskugelteil 60 zum Verbessern einer Anregungseffizienz reflektiert, während das erzeugte Streulicht gesammelt und aus dem einzelnen Auslassloch 66 abgegeben wird, wodurch das Streulicht so verstärkt wird, dass eine Messung mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht wird.

Messbeispiele sind nun beschrieben. Die in den 7 und 8 gezeigte Messvorrichtung wurde zum Bestrahlen von Proben mit Anregungslicht von Argon-Ionen-Laserstrahlen (Wellenlänge: 514,5 nm, Ausgabe: 100 mW) von Lichtquellen eingesetzt.

9 zeigt Raman-Streuungsspektren mit 99% Aceton, gemessen durch ein herkömmliches Vorrichtungssystem. Eine Belichtungszeit eines Photodetektors beträgt 5 Sekunden. 9B ist eine vergrößerte Ansicht. Eine C=O-Streckschwingung in der Umgebung von 790 cm–1 ist auch auf einer Anti-Stokes-Seite zu beobachten. Das Intensitätsverhältnis jedoch beträgt etwa 0,024, was vorzüglich mit einem theoretischen Wert (0,0237), der aus der Boltzmann-Verteilung vorhergesagt wird, übereinstimmt.

Spektren in der Umgebung von Anregungslichtwellenlängen (Wellenzahl: 0 cm–1) sind nicht nur in den 9A und 9B, sondern auch in den 10A, 10B, 11A und 11B 0, da Anregungslicht-Intensitätswerte in diesen Spektren nicht durch Referenzlicht gemessen werden und Anregungslichtkomponenten durch Kerbfilter entfernt werden.

Die 10A und 10B zeigen Messbeispiele, die die Vorrichtung der 7 und 8 verwenden. Die Belichtungszeit des Photodetektors beträgt 5 Sekunden. In jedem dieses und folgender Beispiele ist eine Endoberfläche eines optischen Faserbauteils mit einzelnem Kern mit einem Durchmesser von etwa 200 &mgr;m an der Position eines Einlasstors zum Empfangen von Streulicht, das durch die Sammellinse 14 konvergiert wird, und Führen des Streulichts zu dem Spektroskop angeordnet und die andere Endoberfläche desselben ist zu dem Spektroskop 18 geführt. Bei den Messungen dieser Beispiele ist die Position der Sammellinse 14 so eingestellt, dass die Position des Einlasstors sich in Richtung der Sammellinse 14 einer Bilderzeugungsposition einer Anregungslichtwellenlänge durch die Sammellinse 14 annähert, um ein erwünschtes Anti-Stokes-Raman-Streulicht in der maximalen Dichte zu empfangen. 10B ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 10A. Das Intensitätsverhältnis einer Anti-Stokes-Raman-Linie zu einer Stokes-Raman-Linie einer C=O-Streckschwingung in der Umgebung von 790 cm–1 ist im Vergleich zu dem Ergebnis aus 9B etwa 12-fach.

Die 11A und 11B sind ein Diagramm, das das Gesamt-Raman-Streuungsspektrum einer wässrigen Glukoselösung mit 1 M, gemessen durch die in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung, zeigt, bzw. eine vergrößerte Ansicht, die den Bereich von –2.000 bis 2.000 cm–1 zeigt. Die Belichtungszeit des Photodetektors beträgt 5 Sekunden.

Aus den in den 11A und 11B gezeigten Ergebnissen ist es verständlicherweise möglich, eine Anti-Stokes-Raman-Streuung einer wässrigen Glukoselösung zu messen.

12 stellt das Streuungsspektrum von menschlichem Urin, das größtenteils Fluoreszenz ist, dar. Bei jeder Messung zum Erhalten von Messdaten der 12 bis 30 beträgt die Belichtungszeit des Photodetektors 1 Sekunde.

Die 13 und 14 zeigen Streuungsspektren einer Probe, die aus menschlichem Urin hergestellt ist, die 2 M Glukose beinhaltet, gemessen durch die in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung. Diese Figuren zeigen das Streuungsspektrum in dem Bereich einer längeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge bzw. das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum in dem Bereich von –200 bis –2.500 cm–1 auf einer kürzeren Wellenlängenseite.

Während Stokes-Raman-Streuspitzen aus 13 fast unter Fluoreszenz vergraben sind, sind in dem in 14 gezeigten Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum klare Spitzen zu erkennen.

15 zeigt die Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektren von Urinproben, die unterschiedliche Glukosekonzentrationen aufweisen, gemessen durch die in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung. Die Proben werden durch ein Mischen von 250 &mgr;l menschlichen Urins mit 11 wässrigen Glukoselösungen mit 250 &mgr;l mit unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt, so dass Urogen-Glukose-Konzentrationen 32 bis 1.000 mg/dl betragen (Gluco Card-Wert (von Kyoto Dai-ichi Kagaku Co., Ltd.)).

16 stellt die Korrelation zwischen einer Anti-Stokes-Raman-Streuungsintensität in der Umgebung von –1.131 cm–1 und Glukosekonzentrationen dar. Der Korrelationskoeffizient R in diesem Fall, der gleich 0,997 ist, zeigt an, dass die Korrelation bemerkenswert hervorragend ist. Urogen-Glukose-Konzentrationen können durch ein Verwenden der Korrelation aus 16 als eine Kalibrierungskurve bestimmt werden.

17 stellt Korrelationskoeffizienten R zwischen einer Anti-Stokes-Raman-Streuung und den Glukosekonzentrationen der gemischten Proben von Urin und den wässrigen Glukoselösungen, in 16 gemessen, bei –2.000 bis –100 cm–1 dar. Die Korrelationskoeffizienten R betragen über einen breiten Bereich zumindest 0,9, wodurch es möglich ist, eine Kalibrierungskurve in diesem Bereich zum Bestimmen von Urogen-Glukose-Konzentrationen zu bilden.

18 stellt eine Anti-Stokes-Raman-Verschiebungswellenzahl-Abhängigkeit von Korrelationskoeffizienten R dar, während der Konzentrationsbereich der Daten auf 32 bis 514 mg/dl verschmälert wird. Der Bereich, in dem die Korrelationskoeffizienten R zumindest 0,9 betragen, ist schmal.

19A zeigt ein Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum einer Mischlösung menschlichen Blutplasmas und einer wässrigen Glukoselösung. 19B ist eine vergrößerte Ansicht von 19A.

20 stellt die Korrelationskoeffizienten R zwischen Anti-Stokes-Raman-Streuungsintensitätswerten des Spektrums in der Umgebung von –1.130 cm–1 und Glukosekonzentrationen dar. Die Proben werden durch ein Mischen von 250 &mgr;l menschlichen Blutplasmas mit 12 wässrigen Glukoselösungen mit 250 &mgr;l mit unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt, so dass Urogen-Glukose-Konzentrationen 41, 53, 66, 70, 85, 95, 126, 265, 520, 756 und 1.036 mg/dl (Gluco Card-Wert (von Kyoto Dai-ichi Kagaku Co., Ltd.)) bzw. 0,5 M betragen. Der Korrelationskoeffizient in diesem Fall, der gleich 0,995 ist, zeigt an, dass die Korrelation bemerkenswert hervorragend ist. Urogen-Glukose-Konzentrationen können durch ein Verwenden der Korrelation aus 20 als eine Kalibrierungskurve bestimmt werden.

21 zeigt einen Graphen von Korrelationskoeffizienten zwischen Glukosekonzentrationen in menschlichem Blutplasma und einer Anti-Stokes-Raman-Streuung bei –2.000 bis 0 cm–1. Die Korrelationskoeffizienten R sind über einen breiten Bereich zumindest 0,9, wodurch es möglich ist, eine Kalibrierungskurve in diesem Bereich zum Bestimmen von Urogen-Glukose-Konzentrationen zu bilden.

Die 22 und 23 stellen die Streuungsspektren von Proben dar, die durch ein Einführen von Aceton in menschlichen Urin, gemessen durch die in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung, hergestellt werden. Diese Figuren zeigen das Streuungsspektrum in dem Bereich einer längeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge bzw. das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum in dem Bereich von –200 bis –2.500 cm–1 auf einer kürzeren Wellenlängenseite.

Während Stokes-Raman-Streuungsspitzen aus 22 fast unter Fluoreszenz vergraben sind, sind klare Spitzen in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum, das in 23 gezeigt ist, zu beobachten.

Die 24 und 25 stellen die Streuungsspektren von Proben dar, die durch Einführen von Harnstoff in menschlichem Urin, gemessen durch die in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung, hergestellt werden. Diese Figuren zeigen das Streuungsspektrum in dem Bereich einer längeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge bzw. das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum in dem Bereich von –200 bis –2.500 cm–1 auf einer kürzeren Wellenlängenseite.

Während Stokes-Raman-Streuungsspitzen aus 24 fast unter Fluoreszenz begraben sind, sind in dem in 25 gezeigten Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum klare Spitzen zu beobachten.

Die 26 und 27 stellen die Streuungsspektren von Proben dar, die durch ein Einführen von Glukose, Aceton und Harnstoff in menschlichen Urin, gemessen durch die in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung, hergestellt werden. Diese Figuren zeigen das Streuungsspektrum in dem Bereich einer längeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge bzw. das Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum in dem Bereich von 0 bis –2.500 cm–1 auf einer kürzeren Wellenlängenseite. 0 cm–1 ist die Anregungslichtwellenlänge und Referenzlicht bei 0 cm–1 wird gleichzeitig zum Korrigieren einer Fluktuation einer Lichtquellenintensität erfasst.

Während Stokes-Raman-Streuungsspitzen aus 26 fast unter Fluoreszenz begraben sind, sind in dem in 27 gezeigten Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum klare Spitzen zu beobachten.

Es folgt eine Beschreibung von Ergebnissen, die durch ein Herstellen von zehn Proben durch ein Einführen von Glukose, Aceton und Harnstoff in menschlichen Urin und Messen der Korrelation zwischen Spitzenintensitätswerten und Konzentrationen erhalten wurden. Die Proben wurden hergestellt, wie in Tabelle 2 gezeigt ist.

[Tabelle 2]

28 stellt die Korrelation zwischen der Spektralintensität in der Umgebung von –1.130 cm–1 in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum und der Glukose-Konzentration dar. Der Korrelationskoeffizient R in diesem Fall, der gleich 0,92 ist, zeigt an, dass die Korrelation bemerkenswert hervorragend ist. Eine Glukose-Konzentration im Urin, der eine Mehrzahl von Komponenten beinhaltet, kann durch ein Verwenden der Korrelation aus 28 als eine Kalibrierungskurve bestimmt werden.

29 stellt die Korrelation zwischen der Spektralintensität in der Umgebung von –789 cm–1 in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum und der Aceton-Konzentration dar. Der Korrelationskoeffizient R in diesem Fall, der gleich 0,95 ist, zeigt an, dass die Korrelation bemerkenswert hervorragend ist. Eine Aceton-Konzentration in Urin, der eine Mehrzahl von Komponenten beinhaltet, kann durch ein Verwenden der Korrelation aus 29 als eine Kalibrierungskurve bestimmt werden.

30 stellt die Korrelation zwischen der Spektralintensität in der Umgebung von –1.016 cm–1 in dem Anti-Stokes-Raman-Streuungsspektrum und der Harnstoff-Konzentration dar. Der Korrelationskoeffizient R in diesem Fall, der gleich 0,93 ist, zeigt an, dass die Korrelation bemerkenswert hervorragend ist. Eine Harnstoff-Konzentration in Urin, die eine Mehrzahl von Komponenten beinhaltet, kann durch ein Verwenden der Korrelation aus 30 als eine Kalibrierungskurve bestimmt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben und dargestellt wurde, ist klar zu erkennen, dass dieselbe lediglich als Darstellung und Beispiel dient und nicht als Einschränkung aufgefasst werden soll, wobei der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nur hinsichtlich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt ist.


Anspruch[de]
Ein Messverfahren, das die folgenden Schritte aufweist:

Bestrahlen einer Probe mit Anregungslicht mittels einer Anregungslichtquelle eines Anregungslichtquellenteils (2), während die Probe in einem Probeteil (10) angeordnet ist;

Konvergieren Lassen von Streulicht, das von der Probe erzeugt wird, die mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, mittels einer optischen Konvergenzeinstelleinrichtung (16), wobei die optische Konvergenzeinstelleinrichtung (16) eine Linse (14) mit chromatischer Aberration aufweist;

Erfassen des Streulichts mittels eines Photodetektors (28) eines Photoempfangsteils; und

Anordnen des Photoempfangsteils derart, dass es ein Einlasstor (19) für das Streulicht an einer Bilderzeugungsposition der Linse (14) aufweist, wo die Linse (14) Anti-Stokes-Raman-Licht einer kürzeren Wellenlänge als einer Wellenlänge des Anregungslichts konvergieren lässt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Erfassens ein Trennen des Streulichts, das von dem Einlasstor (19) einfällt, in seine Spektralkomponenten aufweist. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem

der Schritt des konvergieren Lassens durch die Verwendung einer optischen Konvergenzeinstelleinrichtung (16) durchgeführt wird, die ein Bandpassfilter zum Durchlassen nur einer Verschiebungswellenzahl des Anti-Stokes-Raman-Streulichts, das erfasst werden soll, aufweist, und

der Schritt des Erfassens ein Erfassen des Streulichts, das von dem Einlasstor (19) einfällt, an dem Photodetektor (28), ohne das Streulicht zu trennen, aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bestrahlens durch die Verwendung eines Bandpassfilters (6) zum Durchlassen nur einer Anregungswellenlänge, die an die Probe angelegt wird, durchgeführt wird. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des konvergieren Lassens ein Verwenden einer Linse (12) mit kleiner chromatischer Aberration zum konvergieren Lassen des Streulichts, das von der Probe erzeugt wird, und Führen des Streulichts zu der Linse (14) mit chromatischer Aberration als ein paralleler Strahl auf einer Lichteinfallsseite der Linse (14) mit chromatischer Aberration aufweist. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei der der Schritt des konvergieren Lassens die Verwendung eines holographischen Kerbfilters (34), das eine Anregungslichtwellenlänge in seiner Einkerbregion aufweist, zum Entfernen einer Anregungslichtwellenlängenkomponente aufweist. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem

der Schritt des Bestrahlens durch die Verwendung eines Anregungslichtquellenteils durchgeführt wird, das ein Bandpassfilter (6) zum Durchlassen nur einer Anregungswellenlänge, die an die Probe angelegt wird, aufweist, und

das Verwenden des holographischen Kerbfilters derart durchgeführt wird, dass die Kerbregion symmetrisch mit einer Bandpassregion des Bandpassfilters (6) ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des konvergieren Lassens die Verwendung eines Schnittfilters zum Abblockieren einer Anregungslichtwellenlänge und einer längeren Wellenlängenseite zum Entfernen einer Anregungslichtwellenlängenkomponente aufweist. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Einlasstor des Photoempfangsteils ein Einlassschlitz (19) des Spektroskops (18) ist. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Einlasstor des Photoempfangsteils eine erste Endoberfläche eines optischen Faserbauteils mit einzelnem Kern ist und eine zweite Endoberfläche des optischen Faserbauteils zu einem Spektroskop oder dem Photodetektor geführt wird. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgenden Schritt aufweist:

Variieren der Entfernung zwischen der Linse (14) des optischen Konvergenzeinstellteils mit chromatischer Aberration und dem Einlasstor (19).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bestrahlens durchgeführt wird, während die Probe in einer kugelförmigen Zelle (42) und einer Integrationskugeltyp-Zellhalterung (44) mit einer kugelförmigen Reflektionsoberfläche (60) als einem Abschnitt zum Halten der Zelle angeordnet ist. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner die Verwendung eines optischen Systems (50, 52, 54, 56) für Referenzlicht (40r) zum Erfassen eines Teils des Anregungslichts aufweist. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner ein Multiplizieren einer Boltzmann-Verteilung, die die Wahrscheinlichkeit eines Vorliegens der Anti-Stokes-Raman-Streuung zeigt, mit dem Photoempfangsdichteverstärkungseffekt der Anti-Stokes-Raman-Streuung und ein Korrigieren des Ergebnisses zur Durchführung einer Operation, so dass eine Photoempfindlichkeit für das Anti-Stokes-Raman-Streulicht über einen vorgeschriebenen Bereich an einer kürzeren Wellenlängenseite als der Anregungslichtwellenlänge konstant ist, aufweist.






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

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

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