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WO2006002452A1 - Verfahren und einrichtung zum durchfüren von raman-spektroskopie - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum durchfüren von raman-spektroskopie Download PDF

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WO2006002452A1
WO2006002452A1 PCT/AT2005/000249 AT2005000249W WO2006002452A1 WO 2006002452 A1 WO2006002452 A1 WO 2006002452A1 AT 2005000249 W AT2005000249 W AT 2005000249W WO 2006002452 A1 WO2006002452 A1 WO 2006002452A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ultrasonic
laser beam
target material
standing wave
wave field
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/AT2005/000249
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Lendl
Stefan Radel
Ewald Benes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innovationsagentur GmbH
Original Assignee
Innovationsagentur GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innovationsagentur GmbH filed Critical Innovationsagentur GmbH
Priority to EP05754158A priority Critical patent/EP1763657A1/de
Publication of WO2006002452A1 publication Critical patent/WO2006002452A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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    • G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N2021/653—Coherent methods [CARS]
    • G01N2021/656—Raman microprobe

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out RAMAN spectroscopy, wherein a laser beam is directed in a measuring range to a sample which comprises a solid or liquid target material dispersed or suspended in a carrier liquid, e.g. organic material, and a radiation then emitted from the sample is detected for that sample.
  • a carrier liquid e.g. organic material
  • the invention relates to a device for performing RAMAN spectroscopy, with a laser device and with a RAMAN spectrometer, and with optical elements for directing the laser beam of the laser device to a position in a measuring range.
  • Raman spectroscopy is used in particular in the analysis of small organic droplets or particles in a carrier liquid, such as water, and it is based on the fact that laser radiation, in particular in the near infrared region, is generated and applied to the droplet to be analyzed Particle is focused, in which case from this target material, a specific frequency-shifted radiation is emitted, which is supplied to the RAMAN spectrometer. Corresponding filters are used to remove an unwanted Rayleigh radiation which is likewise present.
  • RAMAN spectroscopy in which, moreover, the droplets or particles to be analyzed are fixed in the water by means of the radiation pressure of the laser radiation, is described, for example, in the article: Katsuhiro Ajito Combined Near-Infrared Raman Microprobe and Laser Trapping System: Application to the Analysis of a Single Organic Microdroplet in Water, Applied Spectroscopy, Vol. 52, No. 3, 1998, pp. 339-342; in the article: Katsuhiro Ajito et al, Investigation of the Molecular Extraction Process in Single Subpicoliter Droplets Using a Near-Infrared Laser Radar Trapping System ", Analytical Chemistry, Vol. 72, No. 19, Oct. 1, 2000, pp.
  • the droplets In this known RAMAN spectroscopy, therefore, the droplets, generally the target material, are captured and fixed with the aid of the laser radiation itself, which however is only relatively unreliable, especially when larger, heavier particles or particle agglomerates are involved. On the other hand, such larger materials or agglomerates, if present, are naturally favorable for spectroscopy, since then the received radiation is more intense and can be detected more easily. Also, it is problematic in the known technique to capture the droplets or particles at all in the laser light, specifically at the focal point of the laser beam, since their location is not known from the outset.
  • a further object of the invention is to propose a technique with which not only the actual target material itself, but also the carrier liquid can be reliably or exactly measured so as to be able to measure it also by way of example. to be able to make statements about the concentration of certain substances in it.
  • the invention provides a method and a device as defined in the appended independent claims.
  • Advantageous embodiments and further developments are indicated in the respective subclaims.
  • the target materials ie, the particles or droplets to be analyzed
  • the target materials are concentrated and captured by generating an ultrasonic standing wave field in zones defined by this ultrasonic standing wave field, specifically in the pressure or fast node levels of the standing wave ultrasonic field.
  • Such ultrasonic vibrators in the form of so-called “quasi-standing waves", can do well be controlled, in the case of the use of piezoelectric transducers (piezo transducers) as ultrasonic transmitter, as is preferably provided, the ultrasonic field simply by appropriate adjustment of the electrical signal, which is used to An ⁇ control of the piezoelectric transducer, with respect to Fre ⁇ frequency and amplitude can be controlled.
  • the emitted ultrasonic wave can be reflected on the opposite side of the ultrasonic transmitter with the aid of an ultrasonic reflector, the returning wave is then superimposed über ⁇ the radiated wave, so that the desired standing wave is formed.
  • the envelope of the amplitude in the direction of the direction of sound propagation is stationary, that is to say temporally constant.
  • the ultrasonic standing wave field can also be obtained by arranging two ultrasonic transmitters opposite one another, wherein the ultrasonic waves emitted by the two ultrasonic transmitters are superimposed on one another and thus lead to the standing wave field or to the "quasi-standing waves" ,
  • axial primary radiation forces act on the actual target material contained in a carrier liquid, namely droplets or particles, the effect on the target material, eg cells, for example yeast cells, being such that this target material is in the direction of the pressure nodes the standing wave field is urged.
  • the target material eg cells, for example yeast cells
  • it depends on the properties of the particle or droplet material (density, speed of sound or compressibility, possibly also viscosity) and the corresponding properties of the carrier liquid, whether a droplet or particle is pressed into the pressure or fast knots.
  • the target material present in the carrier liquid in the measuring region is parallel to the piezos in the measuring region.
  • the target material Since, as a rule, the ultrasound field is stronger in the piezo-transducer, for example in the middle, than at the edge because of the not entirely homogeneous ultrasound generation, the target material also acts on the transducer surface transversal primary Sonic radiation forces, which, after concentration of the target material in the pressure or fast node planes, results in forces being exerted on the target material in the direction of an axis, eg center axis, of the measuring range within these levels, resulting in increased agglomeration the target material comes at the interfaces of this axis with the pressure or Schnelle ⁇ node levels; As a result, a kind of chain of agglomerates in the measuring range is obtained.
  • the laser beam can be directed or "focused" on this concentrated target material or on these agglomerates without problems, since in principle the location of the pressure and fast knot planes or of the agglomerate is known, and the concentration of the agglomerates remains so long
  • the ultrasonic field is deactivated, the agglomerates are released and, for example, in the case of a fluid flow through the measuring range, are transported out of the measuring range by this "flow".
  • RAMAN spectroscopy advantageously permits the monitoring of biotechnological processes, such as fermentations.
  • the aim of the monitoring is to know the current state of this process at any time.
  • bio chemical parameters are also important here. These include: the concentration of solutes (e.g., glucose, ammonium, amino acids, organic acids, etc.); but also information about solid constituents, the biocatalysts (microorganisms, eg yeast) themselves.
  • solutes e.g., glucose, ammonium, amino acids, organic acids, etc.
  • biocatalysts microorganisms, eg yeast
  • the ultrasonic standing wave field can be generated, for example, in such a way that the pressure node planes are at least substantially perpendicular to the laser beam direction, and in the case of the generation of several pressure node planes in the measuring range, it is expedient in this case to carry out the spectroscopy if the laser beam eg is focused on the closest target material or the nearest print or fast node level containing target material.
  • the ultrasonic transmitter is preferably arranged on the side of the measuring range facing away from the entrance side of the laser beam, so that the emission direction of the ultrasonic transmitter essentially opposite to the direction of the laser beam.
  • the ultrasonic standing wave field is generated with the emission of ultrasound waves at least substantially perpendicular to the direction of the laser beam, i. the ultrasonic transmitter is arranged with its emission direction substantially transversely to the laser beam direction.
  • the pressure node planes (as well as the intermediate pressure levels, ie fast node planes) essentially run parallel to the laser beam direction, and the laser beam enters the measuring range between the ultrasonic transmitter and an ultrasonic reflector opposite thereto or further ultrasonic transmitter one.
  • the focal point of the laser beam can also be controlled simply relative to a nodal plane of the ultrasonic standing wave field, that the frequency of the ultrasound is changed, whereby the node levels of the ultrasound are changed. shift accordingly standing wave field.
  • This can be observed via a microscope or can be carried out up to a maximum detector signal, in which case the focal point is present in a nodal plane, so that then the particles or droplets are optimally detected and excited by the laser beam.
  • the excitation laser beam is intentionally directed at locations adjacent to such particles (droplets).
  • a frequency adjusting unit is preferably connected to the ultrasound transmitter for changing the frequency of the ultrasound, which in the case of a piezo transducer is simply a setting unit for the frequency of the electrical signal which is applied to the - e.g. ceramic piezo element is applied.
  • the piezoelectric element can simply be mounted on a small plate, in particular a simple glass plate, for example by gluing; If an ultrasound reflector is used, it can also be realized by a glass plate.
  • the measuring range can be formed by a closed measuring cell or else by a flow cell.
  • the present spectroscopy technique can be applied with particular advantage directly to process vessels, such as fermentation vessels, for ongoing process monitoring;
  • the device can therefore be fixed as a kind of "probe" to the wall of such a container, being present with the measuring area inside the container
  • the ultrasonic transmitter and the ultrasonic reflector to be formed by discontinuous wall elements or rods
  • the cage-type measuring cell ensures that there is constant exchange of the medium in the container or in the measuring area, so that always up-to-date spectroscopy measurements can be carried out.
  • the laser radiation can be easily supplied to the measuring range via optical fibers.
  • the laser beam itself is focused at the location of the target material (or next to it) to an order of magnitude of, for example, 2-5 ⁇ m, and it is thus possible, for example, to obtain RAMAN spectra of individual bacteria as the target material.
  • the laser device can be constructed in a conventional manner, wherein it is also conceivable to connect a pump laser with a Ti: sapphire (Ti: Al 2 O 3 ) laser to a specific wavelength (eg of the order of magnitude from 200-1200 nm).
  • a pump laser with a Ti: sapphire (Ti: Al 2 O 3 ) laser to a specific wavelength (eg of the order of magnitude from 200-1200 nm).
  • a specific wavelength eg of the order of magnitude from 200-1200 nm.
  • other laser devices such as krypton laser, He-Ne laser or Nd: YAG laser, etc., can be used.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a device for RAMAN spectroscopy including arrangement for generating an ultrasonic Steh ⁇ wave field in the measuring range;
  • Fig. 2 in a comparable representation as in Figure 1 the part of the measuring range with a modified arrangement for generating the ultrasonic standing wave field.
  • FIG. 3 shows in a diagram three curves of the intensity of the detector signal (in arbitrary unit) versus the wavenumber (in cm -1 ), wherein spectroscopy measurement results for a target material suspended in a carrier liquid, for a carrier liquid (without target material) and are illustrated for a target material without carrier liquid;
  • Fig. 1 is a device 1 for carrying out schematically of RAMAN spectroscopy measurements, only very schematically, within a border 2, which more particularly shows such a RAMAN spectroscope, a laser device 3 and a spectrometer 4 with detector 5 (for example in the form of a CCD). Camera) and another detector 6 (in particular also in the form of a CCD camera) are arranged.
  • detector 5 for example in the form of a CCD
  • Camera another detector 6 (in particular also in the form of a CCD camera) are arranged.
  • detector 5 for example in the form of a CCD
  • Camera detector 6
  • FIG. 1 a device 1 for carrying out schematically of RAMAN spectroscopy measurements, only very schematically, within a border 2, which more particularly shows such a RAMAN spectroscope, a laser device 3 and a spectrometer 4 with detector 5 (for example in the form of a CCD). Camera) and another detector 6 (in particular also in the form of a CCD camera) are
  • a focusing lens 9 for focusing the laser beam 10 in a focal point 11 in a measuring area 12 is symbolically represented.
  • the laser beam 10 can be fed to the measuring area 12 via one or more (preferably three), only very schematically indicated light guides 13, 13 'in FIG.
  • the position of the laser focal point 11 in the measuring region 12 can then be achieved, for example, by illumination of the respectively favorable optical waveguide 13, 13 '.
  • a further adjustment of the focal point 11 is that in the depth, ie according to FIG. 1 (and 2) upwards or downwards, and this can be accomplished via the focus optics indicated by the lens 9.
  • a control unit 14 is further shown schematically, which will generally be formed essentially by a computer device, and connected to the laser device 3, the RAMAN spectrometer 4 together with the detector 5 and the other De ⁇ detector 6 is.
  • This arrangement 15 contains an ultrasound transmitter 16, which, for example, has a ceramic piezoelement 17 which is adhesively bonded to a glass plate 18.
  • a glass plate 18 facing flat electrode 19 is provided, which consists for example of silver, and which is pulled over the edges of the piezoelectric element 17 to the lower in Fig. 1 outer side of the piezoelectric element 17 and there kontak ⁇ at 20 kontak ⁇ .
  • a second, central electrode 21 is also located on the lower outer side of the piezoelectric element 17 and is contacted there directly at 22.
  • the two contacts 20, 22 are connected to a frequency generator 23, such as a frequency synthesizer FPS 4025, to generate a vibration spielmud in the range of 1.7 MHz to 1.8 MHz.
  • the electrical signal generated by the frequency generator 19 with this frequency is applied via the contacts 20, 22 to the piezoelectric element 17, ie at its electrodes 19, 21, so that the ultrasound transmitter 16 a corresponding ultrasonic wave with the frequency of 1.7 MHz emitted up to 1.8 MHz.
  • this ultrasonic wave is emitted vertically upward through the measuring area 12 and at the upper side of the measuring area, where the laser beam 10 enters the measuring area 12, from an ultrasonic reflector 25 formed by another glass plate 24 reflected.
  • the number of pressure node levels 26 in the measuring range 12 depends on the Size (height) of the measuring range 12 as well as the wavelength of the ultrasound in the measuring range (ie the medium present there), and it is conceivable that depending on the speed of sound in the measuring range 12 and depending on the frequency of the ultrasonic field half the wavelength as a distance between two adjacent Pressure node levels 26 in of the order of 0.3 mm or 0.4 mm; this would lead to a good ten pressure node planes 26 within the measuring area 12 at a height of the measuring area 12 of approximately 4 mm.
  • the measuring region 12 may have a cylindrical shape, wherein the surfaces of the ultrasonic transmitter 16 or reflector 25 are essentially circular, but the measuring region 12 may of course also be different, for example cuboidal or cuboidal, with a rectangular or rectangular top view quadratic piezo transducer 16 and ultrasonic reflector 25, respectively.
  • nodal planes 26 particles or droplets present in a carrier liquid, in short target material, eg in the pressure node planes 26 or as mentioned in the sound velocity node planes (hereinafter, therefore, are only briefly referred to nodal planes 26) are collected, with the agglomerates 27 thus formed in the Knotenbenen 26 in turn konzen ⁇ due to the effect of transversal primary sound radiation forces in the region of an axis.
  • the transversal primary sound radiation forces which are responsible for the movement of the target material in the node planes 26 are mainly due to the fact that in ultrasonic transducers in FIG As a rule, the ultrasound field is inhomogeneous with respect to the surface of the ultrasound emission of the ultrasound transducer, wherein it is stronger, especially in a central region, than in peripheral regions. Overall, a "chain" of agglomerates 27, as shown in FIG.
  • a corresponding frequency setting unit 28 is provided in the control unit 14.
  • this Frequenzenzeinstellatti 28 may also be part of the frequency generator 23 directly and operated there immedi.
  • the laser beam 10 it is also possible with the laser beam 10 to focus specifically on locations next to the particles or droplets 27, so that a sample, namely now the carrier liquid, without these particles or droplets 27 is certainly measured.
  • the glass plate 24 forming the ultrasound reflector 25 can be connected to the glass plate 18 of the ultrasound transducer or transmitter 16 via a wall 29 which laterally delimits the measuring area 12, in which way a measuring cell 30 is formed.
  • This measuring cell 30 can in principle be designed in the form of a flow-through cell, wherein corresponding Zuleitun ⁇ gene and derivatives are provided, as is schematically illustrated in Fig. 1 by dashed lines 31 and 32 respectively.
  • the entire device 1 may be connected to a production plant, such as a fermentation tank for process monitoring.
  • a production plant such as a fermentation tank for process monitoring.
  • the present device 1 can advantageously be fed directly to a production process for continuous process monitoring.
  • container such as a fermentation tank, are used, whereby it is only necessary to shield the required electrical lines and the ultrasonic transducer 16 accordingly housed in the container.
  • FIG. 2 illustrates a modified arrangement of the measuring cell 30 or the ultrasonic elements compared to FIG.
  • a probe-like design of the device 1 for mounting inside a production container indicated by a wall 33 is again provided, wherein a transparent wall 34, in the form of a glass plate, with a Laserstrahlzut ⁇ tion, about once again by means of one or more light guide 13th (see Fig. 1) enclosing housing 35 is connected.
  • the focal point (11 in FIG. 1) “laterally” and “vertically” (as shown in FIG. 2) with the aid of the correspondingly activated or displaced light guides, in order to provide the desired locations - agglomerate at pressure nodes or fast knots or carrier liquid - reach.
  • the ultrasonic standing wave field is generated transversely to the direction of the laser beam 10, ie, node planes 26 that run essentially parallel to the direction of the laser beam 10 result.
  • the ultrasonic standing wave field is generated here, for example, with the aid of two ultrasonic transmitters or transducers 16, 16 ', each of which may be designed, for example, as explained above with reference to the ultrasonic transducer 16 according to FIG. 1, and the ultrasonic waves in opposite directions emit, which are superimposed to the desired standing wave field.
  • the laser beam 10 is focused here, for example, on an agglomerate 27 in a central nodal plane 26 (or on a location next to it).
  • the corresponding nodal plane 26 can in turn here by changing the frequency of the electrical signal to the piezoelectric elements 17, 17 'of the ultrasonic transducers 16 and 16' as shown in Fig. 2 are shifted to the left or right, so as to the agglomerate 27 in optimal spatial To bring relationship to the focal point 11 of the laser beam 10.
  • the ultrasound transducers 16, 16 ', more precisely their glass platelets 18, 18' can in turn be connected via lattice-type or rod-like elements, which form the remaining wall 29 of the measuring cell 30, mitein ⁇ and be connected to the upper glass plate 34, so as to likewise obtain a cage-like measuring cell 30, which is in flow connection with its interior with the environment.
  • curve A illustrates a spectroscopy measurement with a Raman spectrometer using an ultrasonic Stehwellen ⁇ field as explained with reference to Fig.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung (1) zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, wobei ein Laserstrahl (10) in einem Messbereich (12) auf eine Probe gerichtet wird, die ein in einer Trägerflüssigkeit dispergiertes bzw. suspen­diertes festes oder flüssiges Zielmaterial, z.B. organisches Ma­terial, enthält und eine daraufhin von der Probe abgegebene, für diese Probe spezifische Strahlung detektiert wird; im Messbe­reich (12) wird dabei ein Ultraschall-Stehwellenfeld erzeugt, wobei das feste oder flüssige Zielmaterial, wie Hefezellen, in Druck-(26) oder Schnelleknoten-Ebenen des Ultraschall-Steh­wellenfeldes, gegebenenfalls nach Agglomerieren, festgehalten wird, und der Laserstrahl (10) wird auf das festgehaltene feste oder flüssige Zielmaterial und/oder aber auf Stellen neben dem festen oder flüssigen Zielmaterial gerichtet.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von RAMAN- Spektroskopie, wobei ein Laserstrahl in einem Messbereich auf eine Probe gerichtet wird, die ein in einer Trägerflüssigkeit dispergiertes bzw. suspendiertes festes oder flüssiges Zielmate¬ rial, z.B. organisches Material, enthält, und eine daraufhin von der Probe abgegebene, für diese Probe spezifische Strahlung de- tektiert wird.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, mit einer Laservorrichtung und mit einem RAMAN-Spektrometer, sowie mit optischen Elementen zum Richten des Laserstrahls der Laservorrichtung auf eine Stelle in einem Messbereich.
RAMAN-Spektroskopie wird insbesondere bei der Analyse von kleinen organischen Tröpfchen oder Partikeln in einer Träger¬ flüssigkeit, wie etwa Wasser, angewandt, und sie beruht dabei darauf, dass LaserStrahlung, insbesondere im nahen Infrarotbe¬ reich, erzeugt und auf das zu analysierende Tröpfchen oder Partikel fokussiert wird, wobei dann von diesem Zielmaterial eine spezifische in der Frequenz verschobene -Strahlung abgegeben wird, die dem RAMAN-Spektrometer zugeführt wird. Zum Entfernen einer dabei ebenfalls vorliegenden unerwünschten Rayleigh-Strah¬ lung werden entsprechende Filter eingesetzt. Eine derartige RAMAN-Spektroskopie, bei der überdies die zu analysierenden Tröpfchen oder Partikel mit Hilfe des Strahlungsdrucks der La¬ serstrahlung im Wasser fixiert werden, ist beispielsweise in dem Artikel: Katsuhiro Ajito „Combined Near-Infrared Raman Micro¬ probe and Laser Trapping System: Application to the Analysis of a Single Organic Microdroplet in Water", Applied Spectroscopy, Vol. 52, Nr. 3, 1998, Seiten 339-342; in dem Artikel: Katsuhiro Ajito et al, „Investigation of the Molecular Extraction Process in Single Subpicoliter Droplets Using a Near-Infrared Laser Ra¬ man Trapping System", Analytical Chemistry, Vol. 72, Nr. 19, 1. Oktober 2000, Seiten 4721-4725; oder aber in dem Artikel: Katsu¬ hiro Ajito et al., „Detection of Glutamate in Optically Trapped Single Nerve Terminals by Raman Spectroscopy", Analytical Cheme- stry, Vol. 76, Nr. 9, 1. Mai 2004, S. 2506-2510, beschrieben.
Bei dieser bekannten RAMAN-Spektroskopie werden somit die Tröpf¬ chen, allgemein das Zielmaterial, mit Hilfe der Laserstrahlung selbst eingefangen und fixiert, was jedoch nur relativ unzuver¬ lässig ist, vor allem wenn größere, schwerere Partikel oder Par- tikelagglomerate betroffen sind. Derartige größere Materialien oder Agglomerate sind andererseits, so vorhanden, für die Spek¬ troskopie naturgemäß günstig, da dann die empfangene Strahlung intensiver ist und leichter detektiert werden kann. Auch ist es bei der bekannten Technik problematisch, die Tröpfchen oder Par¬ tikel überhaupt im Laserlicht, und zwar im Fokuspunkt des Laser¬ strahls, einzufangen, da von vornherein ihr Ort nicht bekannt ist.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und eine Technik vorzusehen, mit der zu analysierende Teilchen oder Tröpfchen, d.h. das Zielmaterial, auf zuverlässige Weise von der zugeführten Laserstrahlung erfasst und für die Durchführung der Analyse im Fokuspunkt der LaserStrahlung festgehalten werden können bzw. kann. Weiters ist es Ziel der Erfindung, eine Tech¬ nik vorzuschlagen, mit der nicht nur das eigentliche Zielmateri¬ al selbst, sondern auch die Trägerflüssigkeit zuverlässig bzw. exakt gemessen werden kann, um so auch über diese so wie z.B. über die Konzentration bestimmter Substanzen darin Aussagen treffen zu können.
Zur Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe sieht die Er¬ findung ein Verfahren und eine Einrichtung wie in den anliegen¬ den unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Vorteilhafte Ausfüh¬ rungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteran¬ sprüchen gekennzeichnet.
Gemäß der Erfindung werden somit die Zielmaterialien, d.h. die bevorzugt zu analysierenden Partikel oder Tröpfchen, durch Erzeugung eines Ultraschall-Stehwellenfeldes in durch dieses Ultraschall-Stehwellenfeld vorgegebenen Zonen konzentriert und festgehalten, nämlich konkret in den Druck- oder Schnelleknoten- Ebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes. Derartige Ultraschall- feider, in Form von so genannten „Quasi-Stehwellen", können gut kontrolliert werden, wobei im Fall der Verwendung von Piezo- Wandlern (Piezo-Transducern) als Ultraschallsender, wie dies vorzugsweise vorgesehen wird, das Ultraschallfeld einfach durch entsprechende Einstellung des elektrischen Signals, das zur An¬ steuerung des Piezo-Wandlers verwendet wird, hinsichtlich Fre¬ quenz und Amplitude gesteuert werden kann. Um die gewünschte räumliche Stehwelle zu erhalten, kann die emittierte Ultra¬ schallwelle auf der dem Ultraschallsender gegenüberliegenden Seite mit Hilfe eines Ultraschallreflektors reflektiert werden, wobei die rücklaufende Welle dann der abgestrahlten Welle über¬ lagert wird, so dass sich die gewünschte Stehwelle ausbildet. Bei dieser Stehwelle ist die Hüllkurve der Amplitude in Richtung der Schallausbreitungsrichtung stationär, also zeitlich kon¬ stant. Im Prinzip kann das Ultraschall-Stehwellenfeld aber auch dadurch erhalten werden, dass zwei Ultraschallsender einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die von den beiden Ultraschallsendern emittierten Ultraschallwellen einander über¬ lagert werden und so zum Stehwellenfeld bzw. zu den „Quasi-Steh¬ wellen" führen.
Bei einer solchen Ultraschall-Stehwelle wirken auf das in einer Trägerflüssigkeit enthaltene eigentliche Zielmaterial, nämlich Tröpfchen oder Teilchen, axiale primäre Schallstrahlungskräfte, wobei die Wirkung auf das Zielmaterial, z.B. Zellen, etwa Hefe¬ zellen, derart ist, dass dieses Zielmaterial in Richtung der Druckknoten des Stehwellenfeldes gedrängt wird. Ganz allgemein hängt es von den Eigenschaften des Teilchen- bzw. Tröpfchenmate¬ rials (Dichte, Schallgeschwindigkeit bzw. Kompressibilität, evtl. auch Viskosität) und den entsprechenden Eigenschaften der Trägerflüssigkeit ab, ob ein Tröpfchen oder Teilchen in die Druck- oder Schnelleknoten gedrückt wird. Die meisten Öle in Wasser (Dichte des „Teilchens" kleiner als die Dichte der Trä¬ gerflüssigkeit) gehen bespielsweise in die Schnelleknoten (=Druckbäuche) . Demgemäß wird das in der Trägerflüssigkeit vor¬ handene Zielmaterial im Messbereich in Ebenen parallel zur Pie¬ zo-Transducer-Oberfläche konzentriert, nämlich in den Druck¬ oder aber Schnelleknoten-Ebenen. Da weiters in der Regel das Ultraschallfeld aufgrund der nicht ganz homogenen Ultraschall- erzeugung im Piezo-Transducer z.B. in der Mitte stärker ist als am Rand, wirken auf das Zielmaterial auch transversale primäre Schallstrahlungskräfte, was nach der Konzentration des Zielmate- rials in den Druck- bzw. Schnelleknoten-Ebenen dazu führt, dass innerhalb dieser Ebenen auf das Zielmaterial Kräfte in Richtung einer Achse, z.B. Mittenachse, des Messbereichs ausgeübt werden, so dass es zu einer verstärkten Agglomeration des Zielmaterials an den Schnittstellen dieser Achse mit den Druck- bzw. Schnelle¬ knoten-Ebenen kommt; als Resultat wird eine Art Kette von Agglo- meraten im Messbereich erhalten. Auf dieses konzentrierte Ziel- material bzw. auf diese Agglomerate kann der Laserstrahl ohne Probleme gerichtet bzw. „fokussiert" werden, da im Prinzip der Ort der Druck- und Schnelleknoten-Ebenen bzw. des Agglomerates bekannt ist. Die Konzentration der Agglomerate bleibt so lange bestehen, so lange das Ultraschallfeld aktiv ist. Beim Deakti¬ vieren des Ultraschallfeldes werden die Agglomerate freigegeben und z.B. im Fall eines Flüssigkeitsflusses durch den Messbereich durch diesen „Flow" aus dem Messbereich transportiert. Anderer¬ seits ist es auch möglich, das Ultraschallfeld an zu lassen, so¬ mit die Teilchen etc. festzuhalten, und die Trägerflüssigkeit auszutauschen, z.B. im Fall von beschichteten Polymerkügelchen und zur Beobachtung von chemischen Reaktionen.
Die RAMAN-Spektroskopie erlaubt in vorteilhafter Weise die Über¬ wachung von biotechnologischen Prozessen, wie Fermentationen. Ziel der Überwachung ist es den aktuellen Zustand dieses Pro¬ zesses zu jeder beliebigen Zeit zu kennen.
Neben physikalisch messbaren Größen, wie Druck oder Temperatur, sind hier auch (bio) chemische Parameter wichtig. Dazu gehören: Die Konzentration von gelösten Stoffen (z.B. Glukose, Ammonium, Aminosäuren, organische Säuren, usw.) ; aber auch eine Informati¬ on über feste Bestandteile, die Biokatalysatoren (Mikroorganis¬ men, z.B. Hefe) selbst. Die Information, welche mittels RAMAN- Spektroskopie von den festen Bestandteilen erhalten werden kann, kann wiederum die Konzentration eines Inhaltsstoffes dieser Bestandteile sein, aber auch etwa der physiologische Zustand der Mikroorganismen selbst.
Wenn ohne Anlegen von Ultraschall Spektren von Suspensionen auf¬ genommen werden, so ist mit Beiträgen sowohl der gelösten als auch der festen Komponenten im RAMAN-Spektrum zu rechnen. Wenn nun nur die Beiträge der festen Bestandteile erhalten werden sollen, können diese Bestandteile (hier allgemein das „Zielmate¬ rial") in den Knoten des Ultraschall-Stehwellenfeldes konzen¬ triert werden, und es ist dann möglich, den Anregungs-Laser¬ strahl dorthin zu richten. Es kann aber ebenfalls vorteilhaft sein, die festen Bestandteile zu konzentrieren, den Laserstrahl aber dann bewusst daneben zu fokussieren, um eben nur Informati¬ on von den gelösten Substanzen zu bekommen.
Das Ultraschall-Stehwellenfeld kann beispielsweise derart er¬ zeugt werden, dass die Druckknotenebenen zumindest im Wesentli¬ chen rechtwinkelig zur Laserstrahlrichtung verlaufen, und im Fall der Erzeugung von mehreren Druckknotenebenen im Messbereich ist es in diesem Fall für die Durchführung der Spektroskopie zweckmäßig, wenn der Laserstrahl z.B. auf das nächstliegende Zielmaterial bzw. die nächstliegende Druck- oder Schnelleknoten- Ebene, die Zielmaterial enthält, fokussiert wird. Im Fall einer Anordnung, bei der die Knotenebenen des Ultraschall-Stehwellen¬ feldes im Wesentlichen rechtwinkelig zum einfallenden Laser¬ strahl verlaufen, wird der UltraschalIsender bevorzugt auf der von der Eintrittsseite des Laserstrahls abgewandten Seite des Messbereichs angeordnet, so dass die Abstrahlrichtung des Ultra¬ schallsenders im Wesentlichen entgegengesetzt zur Laserstrahl- richtung verläuft. Denkbar und für viele Anwendungen vorteil- halft ist es jedoch auch, wenn das Ultraschall-Stehwellenfeld unter Abstrahlung von Ultraschallwellen zumindest im Wesentli¬ chen senkrecht zur Richtung des Laserstrahls erzeugt wird, d.h. der Ultraschallsender wird mit seiner Abstrahlrichtung im Wesentlichen quer zur Laserstrahlrichtung angeordnet. In diesem Fall verlaufen die Druckknotenebenen (sowie die dazwischen lie¬ genden Druckbauchebenen, d.h. Schnelleknoten-Ebenen) im Wesent¬ lichen parallel zur Laserstrahl-Richtung, und der Laserstrahl tritt in den Messbereich zwischen dem Ultraschallsender und einem diesem gegenüberliegenden Ultraschallreflektor oder wei¬ teren Ultraschallsender ein.
Von Vorteil ist, dass der Fokuspunkt des Laserstrahls einfach auch dadurch relativ zu einer Knotenebene des Ultraschall-Steh¬ wellenfeldes gesteuert werden kann, dass die Frequenz des Ultra¬ schalls geändert wird, wodurch sich die Knotenebenen des Ultra- schall-Stehwellenfeldes entsprechend verschieben. Dies kann über ein Mikroskop beobachtet bzw. bis zu einem maximalen Detektor¬ signal durchgeführt werden, wobei dann der Fokuspunkt in einer Knotenebene vorliegt, so dass dann auch die Teilchen oder Tröpf¬ chen optimal vom Laserstrahl erfasst und angeregt werden. Ähnli¬ ches gilt selbstverständlich auch, wenn der Anregungs-Laser¬ strahl bewusst auf Stellen neben solche Partikel (Tröpfchen) gerichtet wird.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn ein Ultraschallfeld mit einer Frequenz von einigen Hundert kHz bis zu einigen wenigen MHz, vorzugsweise 1,5 MHz bis 1,9 MHz, insbesondere 1,7 MHz bis 1,8 MHz, angelegt wird. Mit dem UltraschalIsender ist bevorzugt zur Änderung der Frequenz des Ultraschalls eine Frequenz-Einstell- einheit verbunden, wobei dies im Fall eines Piezo-Transducers einfach eine Einstelleinheit für die Frequenz des elektrischen Signals ist, welches an das - z.B. keramische - Piezoelement angelegt wird. Das Piezoelement kann dabei einfach auf einem Plättchen, insbesondere einem einfachen Glasplättchen angebracht sein, beispielsweise durch Aufkleben; sofern ein Ultraschall- reflektor verwendet wird, kann dieser ebenfalls durch ein Glas¬ plättchen realisiert werden.
Der Messbereich kann durch eine geschlossene Messzelle oder aber auch durch eine Durchflusszelle gebildet sein. Die vorliegende Spektroskopietechnik kann jedoch, wie bereits erwähnt, mit besonderem Vorteil direkt an Prozessbehältern, wie etwa an Fermentationsbehältern, zur laufenden Prozessüberwachung ange¬ bracht werden; die Einrichtung kann daher als eine Art „Sonde" an der Wand eines solchen Behälters fixiert werden, wobei sie mit dem Messbereich im Inneren des Behälters vorliegt. Für diesen Fall ist es zweckmäßig, wenn der Ultraschallsender und der Ultraschallreflektor durch diskontinuierliche Wandelemente oder Stangen unter Bildung einer käfigartigen Messzelle mitein¬ ander verbunden sind. Mit der käfigartigen Messzelle wird si¬ chergestellt, dass laufend ein Austausch des Mediums im Behälter bzw. im Messbereich erfolgt, so dass immer aktuelle Spektro¬ skopiemessungen durchgeführt werden können. Die LaserStrahlung kann dem Messbereich einfach über Lichtleiter zugeführt werden. Der Laserstrahl selbst wird an der Stelle des Zielmaterials (oder daneben) auf eine Größenordnung von bei¬ spielsweise 2-5 μm fokussiert, und es ist so beispielsweise mög¬ lich, RAMAN-Spektren von einzelnen Bakterien als Zielmaterial zu erhalten.
Die Laservorrichtung kann in an sich herkömmlicher Weise aufge¬ baut sein, wobei es auch denkbar ist, einen Pumplaser mit einem Ti:Saphir(Ti:Al2O3) -Laser zu verbinden, um eine bestimmte Wellen¬ länge (z.B. in der Größenordnung von 200-1200 nm) zu erhalten. Selbstverständlich können aber auch andere Laservorrichtungen, wie Krypton-Laser, He-Ne-Laser oder Nd:YAG-Laser usw. , verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Einrichtung zur RAMAN-Spek¬ troskopie samt Anordnung zur Erzeugung eines Ultraschall-Steh¬ wellenfeldes im Messbereich;
Fig. 2 in einer vergleichbaren Darstellung wie in Fig. 1 den Teil des Messbereichs mit einer modifizierten Anordnung zur Erzeugung des Ultraschall-Stehwellenfeldes;
Fig. 3 in einem Diagramm drei Kurven der Intensität des Detek¬ torsignals (in beliebiger Einheit) über der Wellenzahl (in cm"1) , wobei Spektroskopie-Messergebnisse für ein in einer Trägerflüs¬ sigkeit suspendiertes Zielmaterial, für eine Trägerflüssigkeit (ohne Zielmaterial) sowie für ein Zielmaterial ohne Trägerflüs¬ sigkeit veranschaulicht sind; und
Fig. 4 in einem Diagramm zwei Kurven entsprechend den Messergeb- nissen bei einer RAMAN-Spektroskopie mit bzw. ohne Ultraschall- Stehwellenfeld.
In Fig. 1 ist schematisch eine Einrichtung 1 zur Durchführung von RAMAN-Spektroskopie-Messungen gezeigt, wobei nur ganz sche¬ matisch, innerhalb einer Umrandung 2, die mehr im Einzelnen ein derartiges RAMAN-Spektroskop zeigt, eine Laservorrichtung 3 so¬ wie ein Spektrometer 4 mit Detektor 5 (beispielsweise in Form einer CCD-Kamera) sowie ein weiterer Detektor 6 (insbesondere ebenfalls in Form einer CCD-Kamera) angeordnet sind. Verschie¬ dene an sich hierbei übliche Elemente, wie Linsen und Filter, wurden in Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen, und es wurden nur ganz schematisch Strahlteiler 7, 8 in Form von halb durchlässigen Spiegeln veranschaulicht, um den Strahlengang in¬ soweit zu komplettieren. Weiters ist auch symbolhaft eine Fo- kussierungslinse 9 zur Fokussierung des Laserstrahls 10 in einem Fokuspunkt 11 in einem Messbereich 12 dargestellt. Der La¬ serstrahl 10 kann dabei über einen oder mehrere (bevorzugt drei) , in Fig. 1 nur ganz schematisch angedeutete Lichtleiter 13, 13' dem Messbereich 12 zugeleitet (und dabei auch seitlich verschoben bzw. eingestellt) werden. Die Lage des Laser-Fo¬ kuspunktes 11 im Messbereich 12 kann dann z.B. durch Beleuchtung des jeweils günstigen Lichtleiters 13, 13' erreicht werden. Andererseits ist es aber auch denkbar, den Laserstrahl 10 durch Verstellen des (einen) Lichtleiters 13 auf die gewünschte Stelle zu richten, wie in Fig. 1 (und Fig. 2) mit Pfeilen angedeutet ist. Eine weitere Einstellung des Fokuspunktes 11 ist jene in der Tiefe, d.h. gemäß Fig. 1 (und 2) nach oben oder unten, und dies kann über die durch die Linse 9 angedeutete Fokus-Optik be¬ werkstelligt werden.
In Fig. 1 ist weiters schematisch eine Steuereinheit 14 gezeigt, die in der Regel im Wesentlichen durch eine Rechnereinrichtung gebildet sein wird, und die mit der Laservorrichtung 3, mit dem RAMAN-Spektrometer 4 samt Detektor 5 sowie mit dem weiteren De¬ tektor 6 verbunden ist.
Weiters wird mit Hilfe dieser Steuereinheit 14 eine Anordnung 15 zur Erzeugung eines Ultraschall-Stehwellenfeldes im Messbereich 12 angesteuert. Diese Anordnung 15 enthält einen Ultraschall- sender 16, der bespielsweise ein keramisches Piezoelement 17 aufweist, das auf einem Glasplättchen 18 aufgeklebt ist. Dabei ist eine dem Glasplättchen 18 zugewandte flächige Elektrode 19 vorgesehen, welche beispielsweise aus Silber besteht, und welche über die Ränder des Piezoelements 17 zur in Fig. 1 unteren Außenseite des Piezoelements 17 gezogen und dort bei 20 kontak¬ tiert ist. Eine zweite, mittige Elektrode 21 befindet sich eben¬ falls an der unteren Außenseite des Piezoelements 17 und ist dort direkt bei 22 kontaktiert. Die beiden Kontakte 20, 22 sind mit einem Frequenzgenerator 23 verbunden, wie etwa einem Fre- guenzleistungs-Synthesizer FPS 4025, um eine Schwingung bei¬ spielsweise im Bereich von 1,7 MHz bis 1,8 MHz zu erzeugen. Das vom Frequenzgenerator 19 erzeugte elektrische Signal mit dieser Frequenz wird über die Kontakte 20, 22 an das Piezoelement 17, d.h. an dessen Elektroden 19, 21, angelegt, so dass der Ultra¬ schallsender 16 eine entsprechende Ultraschallwelle mit der Frequenz von 1,7 MHz bis 1,8 MHz emittiert. Diese Ultraschall- welle wird gemäß der Darstellung in Fig. 1 vertikal nach oben durch den Messbereich 12 abgestrahlt und an der Oberseite des Messbereichs, dort wo der Laserstrahl 10 in den Messbereich 12 eintritt, von einem durch ein weiteres Glasplättchen 24 gebilde¬ ten Ultraschallreflektor 25 reflektiert. Durch Überlagerung der vom Piezo-Transducer 17 emittierten Ultraschallwelle und der vom Ultraschallreflektor 25 reflektierten Ultraschallwelle bildet sich im Messbereich 12 ein „Quasi-Stehwellenfeld" mit in Fig. 1 durch strichlierte Linien angegebenen Druckknotenebenen 26 aus. Im Abstand von einer Viertelwellenlänge von diesen Druckknoten¬ ebenen liegen dann in Fig. 1 nicht dargestellte Druckbauchebenen (=Schallschnelle-Knotenebenen) vor, d.h. die Druckknotenebenen 26 selbst haben einen gegenseitigen Abstand von einer halben Wellenlänge des Ultraschalls im Medium im Messbereich 12. Die Anzahl der Druckknotenebenen 26 im Messbereich 12 hängt von der Größe (Höhe) des Messbereichs 12 sowie von der Wellenlänge des Ultraschalls im Messbereich (d.h. dem dort vorliegenden Medium) ab, und es ist denkbar, dass je nach Schallgeschwindigkeit im Messbereich 12 und je nach Frequenz des Ultraschallfeldes die halbe Wellenlänge als Distanz zwischen zwei benachbarten Druck¬ knotenebenen 26 in der Größenordnung von 0,3 mm oder 0,4 mm liegt; dies würde bei einer Höhe des Messbereichs 12 von ca. 4 mm zu gut zehn Druckknotenebenen 26 innerhalb des Messbereichs 12 führen. Denkbar sind jedoch selbstverständlich auch weniger Druckknotenebenen, z.B. bloß eine, bloß zwei oder bloß drei Druckknotenebenen, ebenso wie mehr Druckknotenebenen, z.B. bis zu 100 Druckknotenebenen, vorstellbar sind. Der Messbereich 12 kann eine zylindrische Form haben, wobei die Flächen des Ultraschallsenders 16 bzw. -reflektors 25 im Wesent¬ lichen kreisförmig sind, der Messbereich 12 kann jedoch aber selbstverständlich auch anders, z.B. quaderförmig oder würfel¬ förmig, mit einem in Draufsicht rechteckigen bzw. quadratischen Piezo-Transducer 16 bzw. Ultraschallreflektor 25, sein.
Im Betrieb werden in einer Trägerflüssigkeit vorhandene Teilchen oder Tröpfchen, kurz Zielmaterial, z.B. in den Druckknotenebenen 26 oder wie erwähnt in den Schallschnellenknotenebenen (nach¬ stehend wird daher nur kurz auf Knotenebenen 26 Bezug genommen) gesammelt, wobei sich die so gebildeten Agglomerate 27 in den Knotenebenen 26 wiederum aufgrund der Wirkung von transversalen primären Schallstrahlungskräften im Bereich einer Achse konzen¬ trieren. Die transversalen primären Schallstrahlungskräfte, die für die Bewegung des Zielmaterials in den Knotenebenen 26 ver¬ antwortlich sind (wogegen die axialen primären Schallsteuerungs- kräfte das Zielmaterial in den Druckknotenebenen 26 konzentrie¬ ren) , sind vor allem darauf zurückzuführen, dass bei Ultra¬ schallwandlern in der Regel das Ultraschallfeld bezogen auf die Fläche der Ultraschall-Emission des Ultraschallwandlers inhomo¬ gen ist, wobei es insbesondere in einem Mittenbereich stärker ist als in Randbereichen. Insgesamt bildet sich somit eine aus Fig. 1 ersichtliche „Kette" von Agglomeraten 27, wobei die Ag¬ glomerate von oben nach unten in der Größe zunehmen, was auf Gravitationseffekte zurückzuführen ist. Bevorzugt wird nun der Laserstrahl 10 auf die gemäß Fig. 1 oberste Knotenebene 26, mit dem obersten Agglomerat 27, fokussiert, s. den Fokuspunkt 11, wobei die Fokussierung zum Einen mit Hilfe der schematisch durch die Linse 9 dargestellten optischen Elemente der Spektroskopie- Vorrichtung 2 bewerkstelligt wird. Zum Anderen kann durch Ände¬ rung der Frequenz des an die Elektroden 19, 21 des Ultraschall- wandlers 16 angelegten elektrischen Signals die Frequenz des Ultraschallfeldes im Messbereich 12 und damit die dort sich ergebende Wellenlänge variiert werden, um so den Ort der Knoten¬ ebenen 26 etwas zu verschieben und dabei die oberste Knotenebene 26 oder eine andere Knotenebene an die Stelle des Fokuspunktes 11 zu bringen. Dies kann mit Hilfe der Mikroskopeinrichtung, die durch die verschiedenen optischen Einrichtungen der RAMAN-Spek- troskopievorrichtung und durch jene CCD-Kamera gebildet ist, die den weiteren Detektor 6 bildet, im Sinne einer „Scharfeinstel¬ lung" beobachtet werden, wobei beim Zusammenfallen des Fokus- punktes 11 mit der gewünschten Knotenebene 26 das Detektorsignal des Detektors 6 optimal wird.
Um diese Frequenzänderungen des Ultraschallfeldes über den Fre¬ quenzgenerator 23 durchführen zu können, ist in der Steuerein¬ heit 14 eine entsprechende Frequenzeinstelleinheit 28 vorgese¬ hen. Selbstverständlich kann diese Frequenzeinstelleinheit 28 auch direkt Teil des Frequenzgenerators 23 sein und dort unmit¬ telbar betätigt werden. Andererseits kann bei angelegtem Ultra¬ schall-Stehwellenfeld auch mit dem Laserstrahl 10 gezielt auf Stellen neben den Teilchen oder Tröpfchen 27 fokussiert werden, so dass mit Sicherheit eine Probe, nämlich jetzt die Trägerflüs¬ sigkeit, ohne diese Teilchen bzw. Tröpfchen 27 gemessen wird.
Das den Ultraschallreflektor 25 bildende Glasplättchen 24 kann mit dem Glasplättchen 18 des Ultraschallwandlers oder -senders 16 über eine Wandung 29 verbunden sein, die den Messbereich 12 seitlich begrenzt, wobei auf diese Weise eine Messzelle 30 ge¬ bildet wird. Diese Messzelle 30 kann im Prinzip in Form einer Durchflusszelle ausgebildet sein, wobei entsprechende Zuleitun¬ gen und Ableitungen vorzusehen sind, wie in Fig. 1 schematisch mit strichlierten Linien 31 bzw. 32 veranschaulicht ist. Über das so gebildete Flusssystem kann die gesamte Einrichtung 1 mit einer Produktionsanlage, etwa mit einem Fermentationsbehälter, zur Prozessüberwachung verbunden sein. Es ist aber auch denkbar, die Messzelle 30 direkt in einem schematisch in Fig. 1 durch eine Wand 33 angedeuteten Behälter in der Art einer Sonde unter¬ zubringen, und für diesen Fall ist die Wandung 29 der Messzelle 30 diskontinuierlich, etwa durch Anbringung von Löchern oder Schlitzen, auszubilden. Insbesondere kann die Wandung 29 der Messzelle 30 auch durch ein Gitter oder durch kleine Stangen ge¬ bildet sein, wobei insgesamt eine käfigartige Messzelle 30 erhalten wird, deren Inneres den Messbereich 12 bildet und somit mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht, so dass laufend ein Austausch der enthaltenen Flüssigkeiten stattfindet. Dadurch kann die vorliegende Einrichtung 1 in vorteilhafter Weise zur kontinuierlichen Prozessüberwachung direkt an einen Produktions- behälter, wie ein Fermentationsbehälter, eingesetzt werden, wobei es nur notwendig ist, die erforderlichen elektrischen Leitungen sowie den Ultraschallwandler 16 entsprechend abge¬ schirmt im Behälter unterzubringen.
In Fig. 2 ist eine gegenüber Fig.l modifizierte Anordnung der Messzelle 30 bzw. der Ultraschallelemente veranschaulicht. Dabei ist wiederum eine sondenartige Ausbildung der Einrichtung 1 zur Anbringung im Inneren eines durch eine Wand 33 angedeuteten Pro¬ duktionsbehälters vorgesehen, wobei eine durchsichtige Wand 34, in Form eines Glasplättchens, mit einem die Laserstrahlzufüh¬ rung, etwa wiederum mittels eines oder mehrerer Lichtleiter 13 (s. Fig. 1) , umschließenden Gehäuse 35 verbunden ist. Auch hier ist es vorgesehen bzw. möglich, den Fokuspunkt (11 in Fig. 1) „seitlich" sowie „vertikal" (gemäß der Darstellung in Fig. 2) mit Hilfe der entsprechend aktivierten bzw. verstellten Licht¬ leiter einzustellen, um so die gewünschten Stellen - Agglomerat an Druckknoten bzw. Schnelleknoten oder Trägerflüssigkeit - zu erreichen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird aber anders als bei jenem in Fig. 1 das Ultraschall-Stehwellenfeld quer zur Richtung des Laserstrahls 10 erzeugt, d.h. es ergeben sich Knotenebenen 26, die im Wesentlichen parallel zur Richtung des Laserstrahls 10 verlaufen. Das Ultraschall-Stehwellenfeld wird hier bei¬ spielsweise mit Hilfe von zwei Ultraschallsendern oder -wandlern 16, 16' erzeugt, die je beispielsweise so wie vorstehend anhand des Ultraschallwandlers 16 gemäß Fig. 1 erläutert ausgebildet sein können, und die in entgegengesetzte Richtungen Ultraschall- wellen emittieren, die zum gewünschten Stehwellenfeld überlagert werden. Der Laserstrahl 10 wird hier beispielsweise auf ein Ag¬ glomerat 27 in einer mittleren Knotenebene 26 (oder auf eine Stelle daneben) fokussiert. Die entsprechende Knotenebene 26 kann hier wiederum durch Änderung der Frequenz des elektrischen Signals an den Piezoelementen 17, 17' der Ultraschallwandler 16 bzw. 16' gemäß der Darstellung in Fig. 2 nach links oder rechts verschoben werden, um so das Agglomerat 27 in optimale räumliche Beziehung zum Fokuspunkt 11 des Laserstrahls 10 zu bringen. Die Ultraschallwandler 16, 16', genauer deren Glasplättchen 18, 18' können wiederum über gitterartige oder stangenartige Elemente, die die restliche Wandung 29 der Messzelle 30 bilden, mitein¬ ander und mit dem oberen Glasplättchen 34 verbunden sein, um so ebenfalls eine käfigartige Messzelle 30 zu erhalten, die mit ih¬ rem Inneren mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht.
In Fig. 3 ist ein Diagramm gezeigt, das die Intensität des De¬ tektorsignals (in beliebiger Einheit) über der Wellenzahl (in cm"1) bei drei verschiedenen Messungen zeigt. Im Einzelnen ver¬ anschaulicht die Kurve A eine Spektroskopie-Messung mit einem RAMAN-Spektrometer unter Anwendung eines Ultraschall-Stehwellen¬ feldes wie anhand der Fig. 1 erläutert, wobei ein Zielmaterial in Form von Polyvinylalkohol in Form von Kügelchen zugrunde lag, das in einer Trägerflüssigkeit, nämlich Wasser, suspendiert war. Die Kurve B zeigt ein entsprechendes Messergebnis, wobei nur die Trägerflüssigkeit, nämlich Wasser, gemessen wurde. Schließlich entspricht die Kurve C als Referenzkurve dem Fall, dass getrock¬ nete Polymerkügelchen (d.h. Polyvinylalkohol-Kügelchen) ohne Trägerflüssigkeit (Wasser) vorliegen. Es ist dabei ersichtlich, dass die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Technik erhaltene Mess- kurve A einerseits bei der Wellenzahl 2900 cm"1 und sowie in einem Wellenzahlbereich von ca. 1300-1700 cm"1 entsprechende charakteristische Spitzen zeigt; andererseits zeigt sich eine charakteristische Spitze (für Wasser) in der Messkurve B im Wellenzahlen-Bereich von 3100 cm"1 bis 3600 cm"1.
In dem Diagramm von Fig. 4 sind schließlich noch zwei Messkurven X, Y ersichtlich, die mit Hilfe der beschriebenen RAMAN-Spektro¬ skopie aufgenommen wurden, wobei als zu messende Partikel frei in Wasser suspendierte Polyvinylalkohol-Kügelchen vorlagen. Die Kurve X zeigt dabei das Ergebnis, als wie beschrieben ein Ultra¬ schall-Stehwellenfeld im Messbereich 12 erzeugt wurde, wogegen die Kurve Y eine entsprechende Messung ohne Ultraschallwellen im Messbereich betrifft. Aus dem Vergleich der beiden Kurven X, Y ist unmittelbar ersichtlich, dass das Messergebnis gemäß der Kurve X, also bei angelegtem Ultraschall-Stehwellenfeld, deutli¬ cher ist, wobei insbesondere ein stärkeres RAMAN-Signal aufgrund der agglomerierten Teilchen erhalten wird, vgl. die Bereiche bei den Wellenzahlen 1500 cm'1 und 2900 cm"1. Auch ergibt sich, dass die Agglomerate das Wasser verdrängen, da der große Doppel"peak" ganz rechts im Diagramm, bei der Wellenzahl knapp unter 3500 cm"1, bei eingeschaltetem Ultraschall relativ zum übrigen Signal kleiner ist (Kurve X) als ohne Ultraschall (Kurve Y) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, wobei ein Laserstrahl (10) in einem Messbereich (12) auf eine Probe gerichtet wird, die ein in einer Trägerflüssigkeit dispergiertes bzw. suspendiertes festes oder flüssiges Zielmaterial, z.B. organisches Material, enthält und eine daraufhin von der Probe abgegebene, für diese Probe spezifische Strahlung detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Messbereich (12) ein Ultraschall-Stehwellenfeld erzeugt wird, wobei das feste oder flüssige Zielmaterial in Druck- (26) oder Schnelleknoten-Ebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes, gegebenenfalls nach Agglome¬ rieren, festgehalten wird, und der Laserstrahl (10) auf das festgehaltene feste oder flüssige Zielmaterial und/oder auf Stellen neben dem festen oder flüssigen Zielmaterial gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erzeugung von mehreren Druck- bzw. Schnelleknoten-Ebenen im Messbereich (12) , die zumindest im Wesentlichen rechtwinkelig zum einfallenden Laserstrahl verlaufen, der Laserstrahl (10) auf das in der dem Eintrittsort des Laserstrahls zunächst liegenden Druck- bzw. Schnelleknoten-Ebene enthaltene feste oder flüssige Zielmaterial fokussiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Stehwellenfeld unter Abstrahlen von Ultraschall- wellen zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des La¬ serstrahls (10) erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Ort der Druck- bzw. Schnelleknoten-Ebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes durch Ändern der Ultraschall-Fre¬ quenz eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass ein Ultraschallfeld mit einer Frequenz von eini¬ gen Hundert kHz bis zu einigen wenigen MHz, vorzugsweise 1,5 MHz bis 1,9 MHz, insbesondere 1,7 MHz bis 1,8 MHz, angelegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Ultraschall-Stehwellenfeld durch Überlagerung einer von einem Ultraschallsender (16) abgestrahlten Ultra¬ schallwelle und einer reflektierten Ultraschallwelle erzeugt wird.
7. Einrichtung zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, mit einer Laservorrichtung (3) und mit einem RAMAN-Spektrometer (4) , sowie mit optischen Elementen (9, 13) zum Richten des Laser¬ strahls (10) der Laservorrichtung auf eine Stelle in einem Mess- bereich, dadurch gekennzeichnet, dass im Messbereich (12) zumin¬ dest ein Ultraschallsender (16; 16, 16') vorgesehen ist, um im Messbereich (12) ein Ultraschall-Stehwellenfeld zu erzeugen.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ultraschallsender (16) ein Ultraschallreflektor (25) gegenüber¬ liegt.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallreflektor (16) durch ein Glasplättchen (24) gebildet ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16) durch ein auf einem Glasplättchen (18) aufgebrachtes Piezoelement (17) gebil¬ det ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16) mit seiner Ab¬ strahlrichtung im Wesentlichen entgegengesetzt zur Laserstrahl- richtung angeordnet ist (Fig. 1) .
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16; 16') mit seiner Abstrahlrichtung im Wesentlichen quer zur Laserstrahlrichtung angeordnet ist (Fig. 2) .
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16) und der Ultra¬ schallreflektor (25) durch diskontinuierliche Wandelemente (29) oder Stangen unter Bildung einer käfigartigen Messzelle (30) miteinander verbunden sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass zur Zuführung des Laserstrahls (10) zum Mess- bereich (12) ein oder mehrere Lichtleiter (13, 13') vorgesehen ist bzw. sind.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16) mit einer Fre¬ quenzeinstelleinheit (28) verbunden ist.
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