DE69114096T2

DE69114096T2 - Photoakustische Zelle und photoakustische Messeinrichtung.

Info

Publication number: DE69114096T2
Application number: DE69114096T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Matsuoka; Ryujiro Nanba; Tsuguo Sawada; Ryuichi Takamoto
Original assignee: Shiseido Co Ltd
Current assignee: Shiseido Co Ltd
Priority date: 1990-08-20
Filing date: 1991-08-19
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2011-08-20
Also published as: US5151590A; EP0478136B1; EP0478136A1; DE69114096D1; JPH04357440A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoakustische Zelle sowie ein photoakustisches Meßgerät, das unter Verwendung der Zelle gebildet wird. Spezieller betrifft die Erfindung eine photoakustische Zelle und ein photoakustisches Meßgerät, die es ermöglichen, in-vivo- und in-situ-Messungen durchzuführen. Ganz speziell betrifft die Erfindung eine photoakustische Zelle sowie ein photoakustisches Meßgerät, die für eine hoch empfindliche und sehr genaue Meßvorrichtung verwendet werden können, die auf dem Gebiet der Messung der Feuchtigkeitsmenge in der menschlichen Haut und auf dem Gebiet der Messung der perkutanen Absorption von Arzneimitteln benötigt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine photoakustische Zelle sowie ein photoakustisches Meßgerät, die ein breites Anwendungsgebiet finden unter Anwendung von entweder dem offenen Zellentyp oder dem geschlossenen Zellentyp, und die, wenn gegebenenfalls eine Probenhalterung angeschlossen wird, als photoakustische Meßvorrichtung vom geschlossenen Typ verwendet werden kann und die eine geringe Größe aufweist und leicht zu verwenden ist, im Vergleich mit den üblichen photoakustischen Meßgeräten vom geschlossenen Typ, und von der weiterhin erwartet wird, daß sie eine verbesserte Empfindlichkeit und Genauigkeit aufweist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Auf dem Gebiet der Analyse von biologischen Proben ist eine sogenannte nicht-destruktive analytische Methode, die die zu messenden Materialien qualitativ oder quantitativ analysiert, ohne sie zu zerstören, wichtiger als je zuvor.
Die üblichen, nicht destruktiven Analysen bestehen im allgemeinen aus einer Bestrahlung einer Probe, die zu untersuchen ist, mit Licht und Messung des reflektierten Lichtes oder des durchgelassenen Lichtes.
Im Falle einer biologischen Probe mit einer rauhen Oberfläche und stark streuenden Eigenschaften jedoch ist es bei Anwendung der üblichen Methode schwierig, die Energie genau zu messen, die absorbiert oder reflektiert wird. Die Ursache hierfür liegt darin, daß wenn die Lichtabsorptionscharakteristika gemessen werden sollen, das Licht, das zur Bestrahlung verwendet wird, abnimmt, und zwar nicht nur aufgrund der Absorption des Lichtes, sondern auch aufgrund der Streuung des Lichtes, wobei, wenn die Reflexionscharakteristika gemessen werden, eine korrekte Messung behindert wird durch das Licht, das durch die rauhe Oberfläche gestreut wird.
In den vergangenen Jahren ist infolgedessen eine photoakustische Methode entwickelt worden, nach der die Energie, die von einem zu untersuchenden Material absorbiert wird, nicht als Licht gemessen wird, sondern als Druckwelle (Schallwelle), die aufgrund der erzeugten Wärme erzeugt wird. Diese Methode ist auf die Messung der Lichtabsorptionscharakteristika von Materialien angewandt worden, die starke Streuungseigenschaften aufweisen, wie beispielsweise biologische Proben, da diese Methode durch das gestreute Licht wenig beeinflußt wird.
In diesem Falle wird der Faktor, der die Menge an erzeugter Wärme dominiert, als thermische Diffusionslänge (µ) bezeichnet, und wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
µ = (2k/ cω)1/2
k: thermische Leitfähigkeit des Materials,
: Dichte des Materials,
c: spezifische Wärme des Materials,
ω: Winkelmodulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes.
Bleiben infolgedessen k, und c im Falle eines bestimmten Materials konstant, so verändert sich die thermische Diffusionsmenge bei einer Veränderung der Frequenz des eingestrahlten Lichtes und die Menge an erzeugter Wärme verändert sich, wenn ein Material vorliegt, das thermisch unterschiedliche Eigenschaften im Bereich der thermischen Diffusionsmenge aufweist.
Durch Veränderung der Modulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes wird es infolgedessen möglich, die Analyse in der Richtung der Tiefe in dem Grad der thermischen Diffusionslänge zu bewirken. Da weiterhin die Intensität des Signals sich im Verhältnis zur Intensität der Lichtquelle verändert, können sogar solche Materialien gemessen werden, die geringe Lichtmengen absorbieren.
Im Falle der üblichen photoakustischen Methode ist es erforderlich, die Probe zu verarbeiten, durch Zerteilen der Probe, so daß sie in eine kleine Zelle vom abgeschlossenen Typ plaziert und gemessen werden kann. Um in-vivo- und in-situ-Analysen durchzuführen, ist von einer photoakustischen analytischen Methode und einer Vorrichtung berichtet worden, die eine Zelle vom offenen Typ aufweist, wonach eine Oberfläche der Zelle geöffnet ist und ein luftdichtes System für das zu messende Material auf der offenen Oberfläche vorgesehen ist. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden infolgedessen die Zelle vom geschlossenen Typ und die Zelle vom offenen Typ verwendet in Abhängigkeit von den Proben und den Anwendungsfällen. Im Vergleich zu der photoakustischen Zelle vom geschlossenen Typ jedoch, wird die photoakustische Zelle vom offenen Typ beeinflußt durch Umgebungsgeräusche und liefert große Geräuschkomponenten und hat eine niedrige Empfindlichkeit. Um den Effekt der Geräuschkomponenten zu vermindern, wurde ein Verfahren vorgeschlagen (P. Poulet, J. Chambron, J. Photoacoustics, 1, 329-346 (1983)), das zwei photoakustische Zellen verwendet, d.h. eine Zelle an der Meßseite, die mit Licht bestrahlt wird, und eine Zelle an der Referenzseite, die nicht mit Licht bestrahlt wird, sondern nur die Geräuschkomponenten mißt, um die Unterschiede zwischen zwei Signalen unter Verwendung eines Differential-Mikrophons zu bestimmen. Die Intensität des photoakustischen Signals, das durch die Zelle der Meßseite ermittelt wird, wurde jedoch nicht bei einer Resonanzfrequenz gemessen und ist schwach, da das Lichtsignal nicht stark ist. Überdies haben Lichtstrahlen, welche die Zelle an der Meßseite bestrahlen, und die Zelle an der Referenzseite unterschiedliche Phasen, die Geräusche werden von dem Differential-Mikrophon nicht vollständig gelöscht und die Empfindlichkeit nicht verbessert.
Um die Intensität des photoakustischen Signals zu verbessern, indem die Modulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes in Übereinstimmung gebracht wird mit der Resonanzfrequenz der Zelle, wurde weiterhin ein Verfahren beschrieben (Kolmel, K.; Sennhenn, B.; Giese, K.J. Soc. Cosmet. Chem. 1986, 37, 375-385), das eine Zelle vom Resonanztyp an der Meßseite verwendet, und eine Zelle an der Referenzseite, um Messungen durchzuführen, nachdem das Geräusch durch Verwendung eines Differential-Mikrophons beseitigt wurde. Die Zelle an der Meßseite jedoch und die Zelle an der Referenzseite haben unterschiedliche Resonanzfrequenzen und unterschiedliche Geräuschkomponenten. Infolgedessen ist der Unterschied nicht perfekt und es wird keine gute Empfindlichkeit erzielt; d.h. die Entwicklung einer empfindlicheren Vorrichtung ist erwünscht.
In der nicht geprüften japanischen Patentpublikation (Kokai) Nr. 62-27215 ist desweiteren eine photoakustische Meßvorrichtung beschrieben worden, die eine Zelle vom offenen Typ aufweist. Gemäß dieser konventionellen photoakustischen Meßvorrichtung, die durch eine Zelle an der Meßseite und eine Zelle an der Referenzseite gebildet wird, wird eines der beiden Mikrophone auf einem Block mit einem Gewinde befestigt.
Die Kapazität der Zelle wird eingestellt durch den mit einem Gewinde versehenen Block, um die Resonanz-(Helmholtz'sche Resonanz) frequenz der Zelle einzustellen.
Infolgedessen macht es die übliche Vorrichtung möglich, die optimalen Signale der Resonanzfrequenz zu verstärken.
Weiterhin ist bereits Gebrauch von einer Xenonlampe oder einer Deuteriumlampe als Lichtquelle für die photoakustische Meßvorrichtung gemacht worden, wobei das monochromatische Licht durch ein Spektroskop erhalten wird und der photoakustischen Zelle durch den Lichtleiter zugeführt wird. Infolgedessen hat das Licht, das auf die Probe von dem Lichtleiter fällt, optische Intensitäten bei jeder der Wellenlängen der Größenordnungen von nW bis µW und die erhaltenen photoakustischen Signale sind so schwach wie mehrere Zehntel von nV. Um diese Signale zu erhalten, ist eine komplexe signal-analysierende Technologie (Signal-Analysator, analytische Software oder dergleichen) erforderlich.
Die übliche photoakustische (im folgenden bezeichnet als PAS) Meßtechnologie, die Zellen vom offenen Typ verwendet, weist jedoch die folgenden Probleme auf.
(1) Da die Intensität der Lichtquelle (insbesondere der Lichtquelle für ultraviolettes Licht) schwach ist, sind die erhaltenen PAS-Signale so klein, daß die Messung nicht mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden kann. Das heißt, daß, wird die Xenonlampe oder die Deuteriumlampe als Lichtquelle verwendet, die Intensität des Lichtes pro Wellenlänge klein ist. Es muß ein Laserstrahl verwendet werden.
(2) Die übliche PAS-Zelle vom offenen Typ ist in ihrem Aufbau nicht optimiert worden vom Standpunkt der Verstärkung der PAS-Signale oder der Beseitigung von Geräuschen und weist weiterhin ein großes totes Volumen auf (etwa 1 ml), wodurch es schwierig wird, eine Messung mit einer hohen Empfindlichkeit durchzuführen. Das heißt, das photoakustische Signal besteht aus einer Schallwelle, die sich bei einer Veränderung des Druckes verändert, und es hat sich gezeigt, daß die Empfindlichkeit ansteigt bei einer Abnahme des Volumens der Zelle. Im Falle der üblichen Zellenstruktur jedoch ist es schwierig, das tote Volumen zu vermindern. Infolgedessen ist es dringlich, die Zellenstruktur zu studieren, welche das tote Volumen auf ein Minimum vermindert. Dies gilt auch für den üblichen geschlossenen Zellentyp.
(3) Bei Ausführung der Analyse in der Tiefenrichtung ist es nicht gestattet, die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von diesen Bedingungen zu optimieren. Das heißt, die Daten in der Tiefenrichtung werden erhalten durch Veränderung der Frequenz der photoakustischen Messung. Im Falle der üblichen photoakustischen Zelle jedoch wird die Empfindlichkeit einfach erhöht bei lediglich einer Messungsfrequenz, die auf dem Resonanzeffekt beruht. Um die Analyse in der Tiefenrichtung mit einer hohen Empfindlichkeit durchzuführen, ist es infolgedessen erforderlich, eine photoakustische Zelle zu verwenden, die eine Struktur aufweist, die es ermöglicht, eine Resonanz bei jeder Frequenz der Messung frei zu entwickeln.
In den vergangenen Jahren ist ferner gefordert worden, ein Meßgerät zu entwickeln, das eine hohe Empfindlichkeit aufweist und eine hohe Genauigkeit auf einer Vielzahl von Gebieten, wie beispielsweise der Messung der Feuchtigkeitsmenge in der menschlichen Haut und die Messung der perkutanen Absorption von Arzneimitteln. Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch ist eine geeignete Vorrichtung nicht entwickelt worden.
Als Verfahren zur Bestimmung der perkutanen Absorption von Arzneimitteln beispielsweise wurde die in-vivo-Meßmethode vorgeschlagen unter Verwendung eines RI (Radioisotops) oder dergleichen. Diese Methode jedoch erfordert ein komplexes Meßsystem und ist schwer zu handhaben. Normalerweise wurde infolgedessen die in-vitro-Meßmethode angewandt, unter Verwendung einer relativ einfach konstruierten Diffusionszelle.
Obgleich eine Vielzahl von Diffusionszellen verwendenden Methoden entwickelt wurde, um die Bedingungen näher denen von tatsächlich lebenendem Gewebe anzupassen, ist es dennoch sehr erwünscht, einfach durchzuführende in-vivo- und in-vitro-Bestimmungsmethoden zu entwickeln, die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und von hoher Genauigkeit sind.
Weiterhin ist eine Vielzahl von Lasern als Lichtquelle für die Verwendung in infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereichen entwickelt worden, die viel größere Ausgangsintensitäten aufweisen als jene der allgemein verwendeten inkohärenten Xenonlampen und Deuteriumlampen. Die Verwendung dieser Laser als Lichtquelle für die photoakustische Meßmethode macht es möglich, eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Obgleich bis jetzt noch kein Ultraviolett-Laser bereitgestellt wurde, der kontinuierlich Licht im ultravioletten Bereich emittiert, ist es möglich, daß ultraviolettes Licht kontinuierlich emittiert wird, wenn ein Laser, der kontinuierlich Licht emittiert, wie zum Beispiel ein Argon-Laser oder ein Krypton-Laser, mit einem nicht linearen optischen Kristall kombiniert wird. Hiervon wird eine weite Anpassung an Arzneimittel erwartet.
Weiterhin wird es als wirksam betrachtet, die perkutane Absorption von Arzneimitteln zu untersuchen, aufgrund der Analyse in Tiefenrichtung, die ein Merkmal der photoakustischen Methode ist.
Weiterhin ist die photoakustische Zelle vom geschlossenen Typ, die nunmehr ganz allgemein verwendet wird, ein System, in dem eine Probe in eine Probenhalterung eingeführt wird, die aus Quarz hergestellt ist und die in der Zelle hermetisch abgeschlossen wird, was einen Defekt auf ein relativ großes totes Volumen hat. Wenn das tote Volumen vermindert werden kann, so wird die Empfindlichkeit entsprechend verbessert. Infolgedessen ist es erforderlich, den Aufbau einer Zelle vom geschlossenen Typ mit einem kleinen toten Volumen zu studieren. Ferner ist es erwünscht, daß die Zelle vom geschlossenen Typ einfach verwendet werden kann.
Die übliche photoakustische Meßvorrichtung verwendet die Zelle vom geschlossenen Typ oder die Zelle vom offenen Typ je nach dem Gegenstand der Messung, weshalb zwei Vorrichtungen und Systeme zu jedem Zeitpunkt zusammengesetzt werden müssen. Der Anwendungsbereich wird stark erweitert, wenn eine photoakustische Meßvorrichtung zur Verfügung steht, die ausgerüstet ist mit einer photoakustischen Zelle, die leicht geschaltet werden kann zu einer Zelle des geschlossenen Typs und einer Zelle vom offenen Typ. Infolgedessen besteht ein starkes Bedürfnis für eine Verbesserung der photoakustischen Meßvorrichtung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die zuvor beschriebenen Probleme des Standes der Technik und ihr Gegenstand ist die Bereitstellung einer photoakustischen Zelle sowie einer photoakustischen Meßvorrichtung, die es ermöglichen, eine Probe mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit zu messen.
Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer photoakustischen Zelle, die sowohl als Zelle des geschlossenen Typs arbeitet, wie auch als Zelle des offenen Typs, ausgerüstet mit einer Zelle vom geschlossenen Typ, die hoch empfindlich ist, eine geringe Größe aufweist und leicht zu handhaben ist, sowie die Bereitstellung einer photoakustischen Meßvorrichtung mit dieser Zelle.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine photoakustische Zelle bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
Vorzugsweise hat die obige Leitung mindestens einen gebogenen oder gefalteten Teil auf der Innenseite des Abdeckteiles, die Länge des ausgedehnten Teiles des Abdeckteiles ist verstellbar und die Länge der obigen Leitung ist verstellbar.
Weiterhin ist vorzugsweise eine Probenhalterung vorgesehen, die abnehmbar an dem ausgedehnten Teil des Abdeckteiles befestigt ist und, wenn sie angefügt ist, einen geschlossenen Raum definiert, der definiert wird durch die Endoberfläche des Faserteiles und durch die innere Wand des Abdeckteiles.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine photoakustische Meßvorrichtung bereitgestellt, welche die oben beschriebene photoakustische Zelle umfaßt, Lichtzufuhrmittel zur Zufuhr eines Lichtstrahles, dessen Lichtintensität durch modulierende Signale einer vorbestimmten Frequenz moduliert wird, zu dem zweiten Ende des Lichtleiters und Signalfeststellmittel für die Feststellung lediglich jener Komponenten, die synchron sind mit den Modulationssignalen außerhalb der Abgabesignale des Mikrophons.
Vorzugsweise ist die Frequenz der Modulationssignale veränderbar und die Lichtzufuhrmittel bestehen aus einem sichtbaren Laser, der einen Laserstrahl eines sichtbaren Bereiches abgibt, einer UV-Oszillationseinheit, die den Laserstrahl abgibt, nachdem die Wellenlänge desselben zu einer Hälfte umgewandelt wurde, sowie einem Lichtunterbrecher, der das Licht in Synchronisation mit den Modulationssignalen abschirmt.
In der photoakustischen Zelle der vorliegenden Erfindung steht das Abdeckteil an einem Ende des Lichtleiters jenseits des Faseranteiles hervor und es wird ein abgeschlossener Raum relativ zu einem Teil gebildet, das untersucht werden soll. Dieser abgeschlossene Raum scheint ein totes Volumen zu sein. Infolgedessen wird eine Zelle vom offenen Typ gebildet, die das tote Volumen auf ein Minimum vermindert, gemeinsam mit dem Lichtleiter in Form einer einheitlichen Struktur. Da die Länge des ausgedehnten Anteiles verstellbar ist, ist auch das tote Volumen verstellbar und es wird eine optimale Empfindlichkeit aufgrund dieser Verstellbarkeit oder Einstellbarkeit erzielt.
Die Leitung, welche die erzeugten akustischen Signale von dem abgeschlossenen Raum auf das Mikrophon außerhalb des Lichtleiters überträgt, weist einen gefalteten Anteil auf und hat eine Länge, die einstellbar ist. Infolgedessen ist es möglich, die Resonanzfrequenz einzustellen und die Empfindlichkeit bei jeder Modulationsfrequenz zu optimieren. Da die Probenhalterung abnehmbar ist, kann die Zelle weiterhin als eine Zelle vom offenen Typ oder eine Zelle vom geschlossenen Typ eingesetzt werden.
Gemäß dem photoakustischen Meßgerät, das die photoakustische Zelle der vorliegenden Erfindung verwendet, wird weiterhin die Modulationsfrequenz verändert und die Resonanzfrequenz wird eingestellt, um dieser zu entsprechen, wodurch es möglich wird, die Analyse in der Tiefenrichtung durchzuführen. Weiterhin macht es die Verwendung eines sichtbaren Lasers und einer UV-Oszillationseinheit als Lichtquelle möglich, einen ausreichenden Grad von optischer Empfindlichkeit zu erzielen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist ein Diagramm, das den Schaltungsaufbau einer photoakustischen Meßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Figur 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Faltung der Leitung und der Resonanzfrequenz veranschaulicht;
Figur 3 ist eine Schnittansicht einer photoakustischen Zelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ist ein Diagramm, das vergleicht die Empfindlichkeit der Zelle fur eine UV-photoakustische Meßvorrichtung unter Verwendung einer Zelle, die mit dem UV-Lichtleiter zusammen als einheitliche Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, mit der Empfindlichkeit der üblichen Zelle für die akustische Meßvorrichtung mit sichtbarem Licht;
Figur 5 ist ein Diagramm, das die Meßgenauigkeit der photoakustischen Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Figur 6 ist ein Diagramm, das die Kalibrierungskurven einer Indometacin-Salbe (Basismittel: Polyethylenglykol und Vaselin) darstellt;
Figur 7 ist ein Diagramm, das eine in-vivo-perkutane Absorption darstellt, gemessen durch Verwendung der photoakustischen Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung; und
Figur 8 ist ein Diagramm, das im Vergleich zeigt die in-vivoperkutane Absorption von Basismitteln bei Anwendung der photoakustischen Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 zeigt eine photoakustische Meßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die aufgebaut ist aus Lichtquellen-Anteilen (10, 11, 12), modulierenden Anteilen (13, 19), einem photoakustischen Zellenanteil 30 und Aufarbeitungsanteilen (20, 21, 22, 23).
Ein UV-Laserstrahl wird von einer Lichtquelle emittiert, die besteht aus einem Argon-Laser (sichtbarer Laser) 10 mit einer UV-Oszillationseinheit 11, die einen nicht linearen optischen Kristall {BBO) verwendet, um die Wellenlänge in eine Hälfte umzuwandeln, und moduliert wird durch den optischen Unterbrecher 13. Das modulierte UV-Licht wird einem Lichtleiter 14 zugeführt und kann auf die Oberfläche einer Probe 17 fallen. Hier kann die Lichtquelle 10 ein Krypton-Laser sein oder ein Helium-Cadmium-Laser, vorausgesetzt, daß er kontinuierlich Licht emittiert.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Lichtleiter 14 direkt einen photoakustischen Sensor bedient.
Der photoakustische Zellenanteil 30 besteht aus dem Lichtleiter 14 (von gebündeltem Typ), einer Probenkammer 15 mit einem Volumen von 10 bis 50 µl, gebildet zwischen der Endoberfläche der gebündelten Faser 52 und der Oberfläche der Probe 17, einer Leitung 16 und einem Mikrophon 18.
Ein Teil 54 der photoakustischen Zelle 30, die auf die Probe gedrückt wird, ist aus einem Licht übertragenden Material hergestellt, um die Hintergrundsignale zu vermindern. Im Falle dieser Ausführungsform beispielsweise ist das Teil 54 aus einem Quarzglas hergestellt, über eine Distanz von 2 mm von der Spitze der Zelle.
Der Lichtleiter 14 ist durch ein Teil aus rostfreiem Stahl, wie bei 50 gekennzeichnet, abgedeckt.
Ein Merkmal der photoakustischen Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Probenkammer in dem Lichtleiter 14 vorgesehen ist und weiterhin mit einer Mikrophonkammer 18 über die gefaltete Leitung 16 gekoppelt ist.
Weiterhin besteht ein Merkmal darin, daß die Leitung 16 eine Länge von 10 bis 100 mm in der Innenseite aufweist und daß außerhalb des Lichtleiters die Länge einstellbar ist, je nach den Meßbedingungen. In typischer Weise hat die Leitung eine Gesamtlänge von 8 cm, wobei die Länge der Leitung 5 cm im Inneren des Lichtleiters beträgt und 3 cm außerhalb des Lichtleiters.
In der Vergangenheit wurde ein Gas innen in der Zelle eingeschlossen, um die Empfindlichkeit zu verbessern, doch bereitet dieses ein Problem bei der Verwendung der Zelle und es ist physikalisch unmöglich, eine vollständige Versiegelung mit dem Gas in der Zelle herbeizuführen.
Gemäß dieser Ausführungsform wird infolgedessen eine Resonanzfrequenz gemessen, die spezifisch für die Zelle ist, durch Entwicklung der Helmholtz'schen Resonanz bei einer höheren Frequenz (2 kHz oder höher), die nicht stark beeinflußt wird durch die Umgebungsgeräusche durch Verwendung des halb abgedichteten Zustandes des Gases in der Zelle. Im Falle dieser Ausführungsform tritt eine Resonanzfrequenz von 2,2 kHz auf, wenn die Leitung eine Gesamtlänge von 8 cm hat.
Infolgedessen erreichen die Signale ein Maximum, wenn die Modulationssignale die obige Frequenz haben.
Ein Signal, das von der photoakustischen Zelle festgestellt wurde, wird durch einen Vorverstärker 20 verstärkt und einem Kohärenzverstärker (lock-in-Verstärker) 21 zugeführt, der den Signalen die gleiche Frequenzkomponente entnimmt, lediglich als die Modulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes, erzeugt durch einen Frequenz-Regler 19. Die entnommene Frequenzkomponente wird dann auf einem Registrierschreiber 22 aufgezeichnet und mittels eines Computers 23 analysiert.
Hier können die Daten der Probe in Richtung der Tiefe durch Veränderung der Modulationsfrequenz erhalten werden.
Das heißt, die Länge der thermischen Diffusion vermindert sich bei einem Anstieg der Modulationsfrequenz, wodurch es ermöglicht wird, Daten auf der Oberfläche zu erhalten, und die Länge der thermischen Diffusion erhöht sich mit einer Verminderung der Modulationsfrequenz, wodurch es möglich wird, Daten vom Inneren zu erhalten.
Im Falle der so aufgebauten photoakustischen Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche der Probe mit Licht bestrahlt und es werden Schallwellen erzeugt aufgrund der Wärme, wenn das Licht durch die Oberfläche der Probe absorbiert wird. Die Schallwellen von der Probe, die das Licht absorbiert, werden verstärkt, und zwar infolge des Resonanzeffektes, wohingegen die photoakustischen Signale wenig durch die Umgebungsgeräusche beeinflußt werden, infolge der gefalteten Leitung. Die photoakustische Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung hat eine photoakustische Zelle, die zusammen mit dem Lichtleiter in Form einer einheitlichen Struktur gebildet wird und ein kleines totes Volumen aufweist. Überdies macht es die Anordnung der gefalteten Leitung, die den Resonanzeffekt optimiert, möglich, die Empfindlichkeit um mehr als eine Größenordnung zu verbessern, im Vergleich zu der Empfindlichkeit der üblichen Zellen.
Wird die Analyse in Richtung der Tiefe ausgeführt durch Veränderung der Frequenz, so zeigt die übliche PAS-Zelle eine verbesserte Empfindlichkeit lediglich bei einer Resonanzfrequenz. Gemäß der vorliegenden Erfindung findet andererseits die Resonanz bei jeder Frequenz statt, wodurch es möglich ist, die Frequenz zu optimieren.
Die Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit der PAS-Zelle, die eine Hauptkomponente der photoakustischen Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt, werden bestimmt durch die folgenden Dimensionen:
Das heißt, die Resonanzfrequenz wird durch die Länge der Lei tung bestimmt. Wird die Länge a festgelegt und wird die Länge b verändert, wie in Figur 2 dargestellt, dann wird die Resonanzfrequenz durch die folgende Beziehung ausgedrückt:
f mc/(2L)
f: Resonanzfrequenz,
m: natürliche Zahl,
c: Geschwindigkeit des Schalles,
L: Länge der Leitung, (fundamentale Resonanz frequenz, wenn
m = 1 ist)
Wird die Länge a verändert, so ist
f = Rmc/(2L)
f: Resonanz frequenz,
m: natürliche Zahl,
c: Geschwindigkeit des Schalles,
L: Länge der Leitung,
R: akustische Konstante, spezifisch für a, (fundamentale Resonanz frequenz, wenn
m = 1 ist).
Die Empfindlichkeit wird durch das Volumen (V) der Probenkammer und den Faltungsgrad der Leitung bestimmt. Unter adiabatischen Bedingungen ist das Produkt aus dem Druck (P) mal dem Volumen (V) der Probenkammer konstant. Infolgedessen steigt die Empfindlichkeit mit Abnahme des Volumens an (das photoakustische Signal besteht aus Schallwellen, die variieren unter Begleitung einer Druckänderung). Jedoch wird die Erzeugung von Schall beeinflußt, wenn das Volumen zu klein wird. Das Volumen sollte vorzugsweise bei 10 bis 50 µl und in vorteilhafterer Weise bei 35 bis 45 µl liegen.
Wie im Falle der Empfindlichkeit durch den Faltungsgrad der Leitung, worin L gleich 8, ergibt sich der größte Wert, wenn a gleich 4 und b gleich 4 sind, und der kleinste Wert, wenn a gleich 5 und b gleich 3 sind.
Figur 3 ist eine Schnittansicht, welche im größeren Detail den Aufbau der photoakustischen Zelle 30 gemäß Figur 1 veranschaulicht.
Am Ende der Abdecjung 50 aus rostfreiem Stahl, welche die Peripherie der gebündelten Fasern 52 des Lichtleiters 14 abdeckt, befindet sich eine ringförmige Aussparung, um einen Zylinder 44 aus Quarzglas aufzunehmen. Der Zylinder 54 wird mittels einer Feder 60 in eine Richtung gedrückt, in der er ausgestoßen wird, und wird durch eine Schraube 62 gesichert. Die Schraube 62 ist gelöst und drückt den Zylinder 54 in eine gewünschte Tiefe und wird dann dadurch festgezogen, unter Einstellung des Volumens der Probenkammer 15. Weiterhin ist die Leitung 16 in ihrem Zwischenabschnitt verbunden durch Verschrauben mit einer Leitung 64, die einen größeren äußeren Durchmesser aufweist; d.h. durch Einstellung des Verschraubungsgrades kann die Länge der Leitung 16 eingestellt werden. Der Probenhalter 70 weist ein inneres Gewinde auf, das mit 72 gekennzeichnet ist und wirkt zusammen mit einem Gewinde 54 auf dem Abdeckteil 50 aus rostfreiem Stahl unter Ausbildung eines abgeschlossenen Raumes, der dann als Zelle vom abgeschlossenen Typ verwendet werden kann. Ein Teil 76, das den abgeschlossenen Raum der Probenhalterung 70 bildet, besteht aus Quarzglas, um die Hintergrundgeräusche oder Hintergrundsignale zu vermindern. Das Volumen der Probenkammer 15 kann ferner verstellt werden durch Verstellung der Schraube des Probenhalters 70. Im folgenden werden Beispiele einer tatsächlichen Messung beschrieben.
Beispiel 1: Vergleich der Empfindlichkeit einer Zelle eines üblichen Systems mit der Empfindlichkeit einer Zelle gemäß der Erfindung
Probe: schwarzer Gummi
Meßfrequenz: 1 bis 4,5 khz
Wellenlänge der Lichtquelle: 488 nm (sichtbares Licht)
Intensität des Lichtes: 3 mW
Figur 4 veranschaulicht die Intensitäten von PAS-Signalen, gemessen bei verschiedenen Modulationsfrequenzen unter Verwendung der Zelle eines üblichen Systems und der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zelle der vorliegenden Erfindung ist eingestellt auf eine maximale Empfindlichkeit bei 2,2 khz. Festzustellen ist, daß um 2,2 khz die Zelle der vorliegenden Erfindung Signale einer Empfindlichkeit erzeugt, die beträchtlich höher ist als die der Zelle des üblichen Systems. Diese Frequenz ist weit entfernt von den Frequenzen von Umgebungsgeräuschen, und der Effekt derselben kann völlig eliminiert werden.
Beispiel 2: Messungsgenauigkeit der Erfindung im Falle einer Indometacin-Salbe sowie qualitative Eigenschaften
Modellprobe: Indometacin-Salbe
Basismittel: PEG (Polyethylenglykol)
Meßfrequenz: 2,2 khz
Wellenlänge der Lichtquelle: 257,2 nm
Intensität des Lichtes: 3 mW
Figur 5 veranschaulicht die Meßgenauigkeit, wenn die Messung 10 mal wiederholt wurde. Der Grad der Änderung liegt bei 3,0 % bei einer Konzentration von 0,2 % und bei 2,0 % bei einer Konzentration von 1,0 %, was eine ausgezeichnete Genauigkeit darstellt.
Figur 6 zeigt Kalibrierungskurven von Indometacin. Ausgezeichnete quantitative Eigenschaften, d.h. Koeffizienten der Korrelation von 0,996 und 0,984, ergeben sich im Falle der Basismittel aus PEG und Vaselin bei einer Konzentration von 0 bis 1,2 %. In der Zeichnung stellen die Werte von 0,75 % und 1,0 %, durch die gestrichelten Linien angezeigt, Konzentrationen dar, die dem allgemeinen Verbraucherbedarf und der medizinischen Praxis angepaßt sind. Die Figur zeigt die Verwendbarkeit auf einen ausreichenden Grad über diesem Bereich.
Beispiel 3: In-vivo-Test für Messung der perkutanen Absorption
Vorrichtung: UV-PAS-Meßvorrichtung
Probe: 1 % Indometacin-Salbe (Basismittel: PEG)
Die Ergebnisse sind in Figuren 7 und 8 dargestellt. Wird lediglich das Basismittel angewandt, so zeigen, wie sich aus Figur 7 ergibt, die PAS-Signale einen konstanten Wert, wird jedoch die Indometacin-Salbe verwendet, so werden die PAS-Signale schwach. Dies bedeutet, daß die photoakustische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung klar den Grad der perkutanen Absorption des Arzneimittels anzeigt. Weiterhin zeigt Figur 8 den Unterschied bezüglich der perkutanen Absorption in Abhängigkeit von den Basismitteln an, d.h. sie zeigt die Tatsache an, daß eine bessere perkutane Absorption erzielt wird, wenn PEG verwendet wird, gegenüber der Verwendung von Vaselin, woraus sich ergibt, daß die photoakustische Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine gute Genauigkeit und Empfindlichkeit aufweist.
Die photoakustische Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, zeigt die folgenden Effekte.
Das heißt, die photoakustische Zelle, die zusammen mit dem Lichtleiter als einheitliche Struktur gebildet wird, weist ein geringes totes Volumen auf, was zur Verbesserung der Empfindlichkeit beiträgt, um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu der herkömmlichen Zelle, in Verbindung mit dem Vorhandensein der gefalteten Leitung, welche beabsichtigt, den Resonanzeffekt zu optimieren.
Bei Durchführung der Analyse in Tiefenrichtung durch willkürliche Veränderung der Frequenz zeigt die übliche PAS-Zelle eine verbesserte Empfindlichkeit lediglich bei einer Resonanzfrequenz. Die vorliegende Erfindung ermöglicht andererseits, daß Resonanzen bei jeder beliebigen Frequenz stattfinden können, wodurch die Empfindlichkeit optimiert wird.
Uberdies kann sowohl das System vom offenen Typ als auch das System des geschlossenen Typs angewandt werden, in Abhängigkeit von der Probe und die Messung kann mit optimaler Empfindlichkeit erfolgen.
Infolgedessen ist zu erwarten, daß die photoakustische Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird als hoch empfindliche und sehr genaue Meßvorrichtung, wie sie auf den Gebieten der Messung des Feuchtigkeitsgrades in der menschlichen Haut benötigt wird, und zur Messung der perkutanen Absorption von Arzneimitteln. Weiterhin gilt, daß selbst in dem Falle der Verwendung als Zelle vom geschlossenen Typ die Vorrichtung eine geringere Größe aufweist und leichter zu handhaben ist als die Zelle des üblichen Typs und es ist zu erwarten, daß sie weit verbreitet als photoakustische Zelle verwendet wird.

Claims

1. Photoakustische Zelle mit:

einem Lichtleiter (14) mit einem Faseranteil (52) bestehend aus einem Bündel einer Anzahl von optischen Fasern und einem Abdeckteil (50), durch den die Seitenoberf läche des Faseranteiles abgedeckt wird, wobei das Abdeckteil des Lichtleiters sich über den Faseranteil hinaus in einer Weise erstreckt, daß wenn ein erstes Ende des Lichtleiters in Kontakt mit der Oberfläche eines zu messenden Materials (17) gebracht wird, ein abgeschlossener Raum (15) ausgebildet wird; und einem Mikrophon (18); dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum (15) ausgebildet wird durch die Endoberf läche des Faseranteiles, durch die innere Wandung des Abdeckteiles und durch die Oberfläche des zu messenden Materials, wobei der Querschnitt des Abdeckteiles (50) in einer Längsrichtung hiervon und über praktisch die gesamte Länge hiervon praktisch gleichförmig ist,

wobei die Zelle weiterhin umfaßt eine Leitung (16) mit einem ersten Ende, das offen in dem geschlossenen Raum (15) ist, und mit einem zweiten Ende, das durch das Abdeckteil (50) geführt wird, und geöffnet ist in Richtung der Außenseite des Abdeckteiles, wobei

das Mikrophon (18) mit dem zweiten Ende der Leitung (16) gekoppelt ist.

2. Photoakustische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (16) mindestens einen gekrümmten Anteil an der Innenseite des Abdeckteiles (50) aufweist.

3. Photoakustische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckteil (50) eine Einstelleinrichtung (62) zur Einstellung der Länge des ausgedehnten Teiles des Abdeckteiles aufweist.

4. Photographische Zelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (16) eine Einstelleinrichtung (64) zur Einstellung der Länge der Leitung aufweist.

5. Photoakustische Zelle nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, weiterhin gekennzeichnet durch einen Probenhalter (70), der abnehmbar an dem ausgedehnten Anteil des Abdeckteils (50) befestigt ist, und wenn er befestigt ist, einen abgeschlossenen Raum mit der Endoberfläche des Faseranteiles und der inneren Wandung des Abdeckteiles (50) bildet.

6. Photoakustisches Meßgerät mit:

Lichtzuführmitteln (10, 11, 12, 13) zur Zuführung eines Lichtstrahles, dessen Lichtintensität durch Modulationssignale einer vorbestimmten Frequenz zum zweiten Ende des Lichtleiters moduliert wird; und

einer Signalerkennungseinrichtung (20, 21) zur Erkennung lediglich jener Anteile, die sich in Synchronisation mit den Modulationssignalen aus den von dem Mikrophon abgegebenen Signalen befinden.

7. Photoakustisches Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Modulationssignale veränderbar ist.

8. Photoakustisches Meßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (16) mindestens ein gekrümmtes Teil auf der Innenseite des Abdeckteiles aufweist.

9. Photoakustisches Meßgerät nach Anspruch 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckteil (50) eine Einstelleinrichtung (62) zur Einstellung der Länge des ausgedehnten Teiles des Abdeckteiles (50) aufweist.

10. Photoakustisches Meßgerät nach Ansprüchen 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (16) Einstelleinrichtungen für die Einstellung der Länge der Leitung aufweist.

11. Photoakustisches Meßgerät nach den Ansprüchen 6, 7, 8, 9 oder 10, weiterhin gekennzeichnet durch einen Probenhalter (70), der abnehmbar an dem ausgedehnten Anteil des Abdeckteiles (50) befestigt ist, und wenn er befestigt ist, einen abgeschlossenen Raum mit der Endoberfläche des Faseranteiles und der inneren Wandung des Abdeckteiles (50) bildet.

12. Photoakustisches Meßgerät nach Ansprüchen 6, 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu den lichtzuführenden Mitteln ein sichtbarer Laser (10) gehört, der einen Laserstrahl eines sichtbaren Bereiches ausstrahlt, eine UV-Oszillationseinheit (11), die den Laserstrahl nach Umwandlung der Wellenlänge desselben in eine Hälfte ausstößt und einen Lichtunterbrecher, der das Licht in Synchronisation mit den Modulationssignalen abschattet.