DE10118449C1 - Vorrichtung zur Überwachung einer Chemikalienströmung und Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung weist zumindest zwei Lichtmessstrecken auf, die mittels einer Lichtquelle eine Chemikalienströmung durchleuchten, wobei der von der Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrahlenbündel von einem Lichtsensor empfangen wird. Die vom Lichtsensor ermittelten Messsignale werden in Kombination ausgewertet, so dass komplexe Überwachungsmöglichkeiten mit dieser einfach ausgebildeten Vorrichtung möglich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung.

Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung werden in Geräten zur Durchführung chemischer und/oder biologischer Reaktionen eingesetzt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 00/40330 A2 bekannt.

Eine bekannte Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung weist als Lichtquelle eine Leuchtdiode auf, die Licht, eines bestimmen Wellenlängenbereiches ausstrahlt. Der Lichtstrahlenbündel der Diode wird auf einen lichtdurchlässigen Schlauch gerichtet, in dem die Chemikalienströmung fließt. Das aus dem Schlauch austretende Licht wird mit einem Lichtsensor empfangen. Da unterschiedliche Che­ mikalien unterschiedliche Farben aufweisen, wird das Licht von den Chemikalien unterschiedlich stark absorbiert. Das Ausgangssignal des Lichtsensors ist proportio­ nal zur Intensität des empfangenen Lichtes.

Diese bekannte Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung wird auf eine bestimmte Lichtdurchlässigkeit der Chemikalienströmung eingestellt. Bei der Durchführung chemischer Reaktionen wird die sich nach der Reaktion ergebende Stoffzusammensetzung mittels eines Schlauches aus einer Reaktionskammer abge­ führt. Diese Chemikalienströmung wird dahingehend überwacht, ob die eingestellte Helligkeit beibehalten wird oder ob die Chemikalienströmung mehr oder weniger Licht absorbiert. Diese bekannte Vorrichtung erlaubt lediglich qualitative Aussagen, ob ei­ ne bestimmte Lichtintensität empfangen wird oder eine geringere oder größere Lichtintensität empfangen wird.

Eine ähnliche Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung ist aus der US 4,816,695 bekannt. Diese Vorrichtung weist als Lichtquelle eine Photodiode und als Lichtsensor einen Phototransistor auf, der das eine Fluidströmung kreuzende Licht detektiert. Die Auswerteelektronik dieser Vorrichtung ist zum Detektieren, ob ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, ausgebildet. Der Schwellwert kann mittels eines Potentiometers eingestellt werden.

Aus der EP 0 959 341 A1 geht eine sehr aufwendige Vorrichtung zum Analysieren von Abgasen von Verbrennungseinrichtungen hervor. Hierbei werden mittels Licht­ quellen Lichtstrahlen durch die Abgase der Verbrennungseinrichtung hindurch ge­ strahlt und das Licht wird mittels Empfangseinrichtungen empfangen und in optische Lichtleiter gekoppelt. Die Lichtleiter sind über einen Multiplexer an ein Spektrometer angeschlossen, mit dem die von den einzelnen Empfangseinrichtungen empfange­ nen Lichtstrahlen spektral analysiert werden.

In der DE 691 24 600 T2, die dem Europäischen Patent EP 0 528 802 entspricht, ist eine Messvorrichtung zum Messen der Teilchengröße von Teilchen in einer Fluidströmung beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird der Teilchenstrom in mehre­ re Teilströme aufgeteilt und die einzelnen Teilströmungen werden mittels einer Licht­ quelle durchleuchtet und das durch die Teilströmungen hindurchtretende Licht wird mittels Fotodetektoren erfasst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung zum Überwa­ chen einer Chemikalienströmung derart weiter zu bilden, dass eine präzise Aussage über die im Schlauch befindliche Chemikalienströmung möglich ist, und eine Verwendung dieser Vorrichtung zuzugeben.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Verwendung nach Anspruch 16 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung umfasst

• - einen Grundkörper, der eine rohrförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines licht­ durchlässigen Schlauches aufweist,
• - zumindest zwei Lichtmessstrecken, wobei eine jede Lichtmessstrecke durch eine Lichtquelle und einen Lichtsensor dargestellt wird, und die Lichtquelle und der Licht­ sensor einer Lichtmessstrecke diametral zur rohrförmigen Ausnehmung derart ange­ ordnet sind, dass ein von der Lichtquelle ausgesendetes Lichtstrahlbündel von dem Lichtsensor empfangen wird, und
• - eine Auswerteeinrichtung, die die von den Lichtquellen ausgesandten und von den Lichtsensoren (9, 10, 11) empfangenen Lichtsignale zur Ermittlung einer Flussrate und/oder einer Chemikalienkonzentration auswertet.

Mit der Erfindung werden zumindest zwei Lichtmessstrecken vorgesehen, deren Si­ gnale kombiniert ausgewertet werden. Hierdurch können komplexe Überwachungsfunktionen realisiert werden, wie zum Beispiel das Detektieren mehrerer unterschied­ licher Chemikalien in der Chemikalienströmung oder der Bestimmung der Strö­ mungsgeschwindigkeit, woraus in Kombination mit dem Querschnitt des Schlauches die Flussrate der Chemikalienströmung ermittelt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquelle und der Lichtsensor derart positioniert, dass das vom Sender ausgestrahlte Lichtstrahlbündel von dem mit einer Flüssigkeit gefüllten lichtdurchlässigen Schlauch etwa auf den Lichtsensor abgebildet wird. Bei einer solchen Anordnung können Absorptionseffekte und/oder Brechungseffekte quantitativ aufgelöst werden.

Sind zwei der Lichtmessstrecken in Richtung der Chemikalienströmung um einen bestimmten Abstand versetzt angeordnet, so kann aus dem zeitlichen Versatz der von den beiden Lichtmessstrecken empfangenen Signale die Strömungsgeschwin­ digkeit ermittelt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kreuzen sich zwei Lichtmessstrecken an einen Punkt der Mittenachse der rohrförmigen Ausnehmung, und die Lichtquellen und Lichtsensoren dieser Lichtmessstrecken sind jeweils auf unterschiedlichen Wel­ lenlängenbereich abgestimmt. Bei einer solchen Anordnung wird derselbe Fluidbe­ reich der Chemikalienströmung von den sich kreuzenden Lichtmessstrecken detek­ tiert, so dass die Signale der beiden Lichtmessstrecken den selben Fluidabschnitt betreffen. Durch Vergleich der beiden Signale können unterschiedliche Chemikalien in der Chemikalienströmung detektiert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Überwachen der Chemika­ lienströmung zu einer Reaktionskammer einer Vorrichtung zum Synthetisieren von Oligonukleotiden geeignet, der zum Überwachen auf kleinstem Raum ausführbar ist, wodurch keine langen, entsprechend große Totvolumen verursachende Schlauch­ strecken notwendig sind, und hiermit sehr präzise Chemikalienkonzentrationen und Flussraten ermittelt werden können, so dass der Einsatz teurer Chemikalien sehr ef­ fizient gesteuert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In denen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikali­ enströmung im Teilschnitt und in Explosionsdarstellung,

Fig. 2 einen Grundkörper aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung,

Fig. 3 schematisch vereinfachten den optischen Aufbau einer Lichtmessstrec­ ke,

Fig. 4 die Abbildung der Lichtquelle auf dem Lichtsensor in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen,

Fig. 5 schematisch vereinfacht das optische System aus Fig. 3 mit gasge­ fülltem Schlauch,

Fig. 6a-c Diagramme der Messsignale bei einem Wechsel des Strömungsmedi­ ums von Acetonitril zu einem Oxidizer,

Fig. 7a-c Diagramme der Messsignale für eine Wasserströmung mit Luftblasen,

Fig. 8a-c Diagramme der Messsignale bei einer Acetonitrilströmung mit Gasbla­ sen,

Fig. 9a-c Diagramme der Messsignale bei einer Oxidizerströmung mit Gasblasen, und

Fig. 10 schematisch vereinfacht ein optische System mit Kollimatorlinsen.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikali­ enströmung mit einem Grundkörper 1 und zwei Platinen 2, 3 zum Halten von Licht­ quellen 4, 5, 6 sowie zwei Platinen 7, 8 zum Halten von Lichtsensoren 9, 10, 11. Der Grundkörper 1 ist aus Aluminium ausgebildet, wobei er durch Fräsen aus einem Aluminiumblock hergestellt wird.

Der Grundkörper 1 ist in einem Teilschnitt entlang der abgewinkelten Schnittlinie A-A dargestellt. Die Platinen 2, 3, 7, 8 sind vom Grundkörper 1 entfernt in der Art einer Explosionsdarstellung in Fig. 1 gezeigt.

Der Grundkörper 1 ist ein etwa quaderförmiger Körper mit vier Seitenflächen 12a, 12b, 12c und 12d und zwei Stirnflächen 13a, 13b.

In dem Grundkörper 1 ist eine Durchgangsbohrung 14 zur Aufnahme eines licht­ durchlässigen Schlauches 15 eingebracht, die senkrecht zur Ebene der Stirnflächen 13a, 13b verläuft und an den Stirnflächen etwas außermittig angeordnet ist.

Quer zur Durchgangsbohrung 14 sind sacklochartig ausgebildete Aufnahmebohrun­ gen 16, 17, 18 in den Grundkörper 1 eingebracht. In den Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 sitzt jeweils eine der Lichtquellen 4, 5, 6, die als Fotodioden ausgebildet sind. Die Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 besitzen jeweils einen zylinderförmigen Hauptabschnitt 16a, 17a, 18a, in dem der Licht emittierende Abschnitt die jeweilige Fotodiode 4, 5, 6 lagert. In Richtung zur Durchgangsbohrung 14 geht der zylinder­ förmige Hauptabschnitt 16a, 17a, 18a in eine sich kegelförmig verjüngenden Ab­ schnitt 16b, 17b, 18b über. An die kegelförmigen Abschnitte 16b bis 18b schließt sich jeweils eine an der Durchgangsbohrung 14 mündende Blendenbohrung 19 an, deren Durchmesser deutlich geringer als der des jeweiligen Hauptabschnittes 16a bis 18a ist. Die Blendenbohrungen 19 besitzen einen kreisförmigen Querschnitt und dienen als Blende für den von der jeweiligen Lichtquelle 4, 5, 6 ausgesendeten Lichtstrahl­ bündel.

Die Aufnahmebohrungen 16 bis 18 sind an den an den Seitenflächen 12a, 12b an­ grenzenden Bereichen zu den Seitenflächen 12a, 12b hin mit mehreren Ringstufen aufweitend ausgebildet. Diese Ringstufen sind Paßbohrungen, die zur exakten Posi­ tionierung der korrespondierend ausgebildeten Fotodioden 4 bis 6 dienen. Diese Fo­ todioden 4 bis 6 durchsetzen mit ihren Anschlüssen 20 entsprechende Bohrungen in den Platinen 2, 3, so dass die Fotodioden 4 bis 6 von den Platinen 2, 3 gehalten werden. Die Platinen 2, 3 sind angrenzend an den Seitenflächen 12a, 12b des Grundkörpers 1 derart angeordnet, dass sich jeweils eine der Fotodioden 4, 5, 6 in einer der Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 befindet, wobei die Fotodioden 4, 5, 6 formschlüssig an den Ringstufen der Aufnahmebohrungen 16, 17, 18 lagern, wo­ durch deren Position im Grundkörper 1 und somit bezüglich der Durchgangsbohrung 14 bzw. bezüglich des Schlauches 15 eindeutig und sehr präzise festgelegt ist.

Diametral gegenüberliegend zu den Aufnahmebohrungen 16 bis 18 münden an der Durchgangsbohrung 14 jeweils Abstrahlbohrungen 21, die sich jeweils bis zu einer der Seitenflächen 12c, 12d erstrecken (Fig. 2). Die Abstrahlbohrungen 21 sind in ge­ radliniger Verlängerung zu den Aufnahmebohrungen 16 bis 18 angeordnet, so dass ein von der Lichtquelle aus gesandtes Lichtstrahlbündel durch jeweils eine Blenden­ bohrung 19, die Durchgangsbohrung 14 mit dem darin befindlichen Schlauch 15 und der Abstrahlbohrung 21 hindurchtreten kann. An den im Bereich der Seitenflächen 12c, 12d angeordneten Öffnungen der Abstrahlbohrung 21 ist jeweils ein Lichtsensor 9 bis 11 zum Detektieren des entsprechenden Lichtstrahlbündels angeordnet. Die Lichtsensoren 9, 11 werden von den Platinen 7, 8 gehalten, die angrenzend an den Seitenflächen 12c, 12d des Grundkörpers 1 angeordnet sind. Die Platinen 2, 3, 7, 8 sind mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie zum Beispiel Schrauben am Grundkör­ per 1 befestigt.

Die gesamte Überwachungsvorrichtung kann zum Beispiel in einer Größe von 1,5 cm × 1,5 cm × 2 cm ausgebildet sein. An den Platinen 2, 3 und 7, 8 können Elektronik­ bauteile zum Ansteuern der Leuchtdioden 4 bis 6 bzw. zum Auswerten der Fotosen­ soren 9, 11 angeordnet sein. Mit den Platinen und den Elektronikbauteilen beträgt die Größe der Überwachungsvorrichtung 2,5 cm × 2,5 cm × 2,0 cm. Als Fotosensoren werden vorzugsweise Fotodioden verwendet.

Jedes Paar von Lichtquelle und Lichtsensor 4, 9; 5, 10; 6, 11 bildet eine Lichtmess­ strecke I, II, III die den Schlauch 15 durchsetzt. Die Lichtquellen 4, 5, 6 werden von einer Steuereinrichtung SE angesteuert. Die Signale der Sensoren 9, 10, 11 werden von einer Auswerteeinrichtung AE ausgewertet (Fig. 3).

Die Lichtmessstrecken I, II sind zueinander parallel und mit einem Mittenabstand d von 9 mm angeordnet. Die Leuchtdioden 4, 5 und Fotodioden 9, 10 dieser beiden Messstrecken I, II sind auf einen roten Wellenlängenbereich von λ ≧ 600 nm abge­ stimmt. Diese Abstimmung kann durch Vorsehen eines Farbfilters und/oder das Vor­ sehen einer farbigen Leuchtdiode und/oder durch Abstimmen der spektralen Emp­ findlichkeit der Sensoren erfolgen. Ein solcher Farbfilter kann bspw. durch eine auf der Leuchtdiode aufgetragene Farbschicht ausgebildet sein.

Die Leuchtdiode 6 und die Fotodiode 11 bilden eine Lichtmessstrecke III, die senk­ recht zur Lichtmessstrecke I angeordnet ist, wobei sich die beiden Lichtmessstrecken an einem Punkt der Längsmittellinie des Schlauches 15 kreuzen und senkrecht zur Längsmittellinie des Schlauches 15 bzw. der Durchgangsöffnung 14 angeordnet sind.

Die Lichtmessstrecke III ist auf blaues Licht der Lichtwellenlänge im Bereich von λ = 390 bis 500 nm abgestimmt.

Fig. 3 zeigt schematisch das optische System der Lichtmessstrecke I mit der Leuchtdiode 4 und der Fotodiode 9, die jeweils auf einer optischen Achse 22 der Lichtmessstrecke I angeordnet sind. Die Leuchtdiode 4 ist wie übliche Leuchtdioden aus einem in einem Plexiglaskörper eingefassten Halbleiter ausgebildet. Der Plexig­ laskörper wirkt wie eine Linse. Zur optimalen Lichtausbeute werden Leuchtdioden mit starker Bündelung des Lichtstrahlbündels auf einen maximalen Abstrahlwinkel von weniger als 30° und vorzugsweise 15° bevorzugt.

Im Bereich zwischen der Leuchtdiode 4 und der Fotodiode 9 befinden sich die als Blende 19 fungierende Blendenbohrung, der Schlauch 15 und eine Austrittsblende 23. Der Schlauch 15 wird in diesem optischen System durch zwei zylindrische Linsen dargestellt (Fig. 3), wobei jede der Linsen den Wandungsabschnitt des Schlauches entspricht, der von dem von der Leuchtdiode 4 abgestrahlten Lichtstrahlbündel durchstrahlt wird. Bei dem in Fig. 3 dargestellten optischen System ist der Schlauch 15 mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex typischerweise im Bereich von n = 1,3 bis 1,4 liegt und somit sich nur geringfügig von dem Brechungsindex des Schlauches 15 unterscheidet. Diese Flüssigkeitssäule ist deshalb als Zylinderlinse 24 in Fig. 3 gezeigt. Das aus den beiden "Schlauchlinsen" 15 und der Zylinderlinse 24 bestehende optische System fokussiert das durch die Eintrittsblende 19 und Aus­ trittsblende 23 hindurchtretende Lichtstrahlbündel auf die optische Achse 22 (Fokus F). Im Bereich des Fokus F ist die Fotodiode 9 angeordnet.

Unterschiedliche Chemikalien besitzen unterschiedliche Brechungsindizes, weshalb die Lage des Fokus F ein wenig variieren kann. Für die erfindungsgemäße Lichtmessstrecke ist es deshalb zweckmäßig, dass die lichtsensitive Fläche der Fotodiode 9 ausreichend groß ist, um auch bei einem von der Empfangsebene abweichende Fokus F das vollständige Lichtstrahlbündel empfangen und dessen Lichtintensität in ein entsprechendes elektrisches Signal umsetzen kann.

In Fig. 4 ist eine Reihe von auf der Fotodiode 9 abgebildeten Abbildungsmuster für unterschiedliche Abstände zwischen der Fotodiode 9 und dem Linsensystem 15, 24 bzw. dem Linsensystem 15, 24 und der Leuchtdiode 4 dargestellt. Weicht der Fokus F deutlich von der Empfangsebene der Fotodiode 9 ab, so ist das Abbildungsmuster etwa kreisförmig, da die Blenden 19, 23 jeweils eine kreisförmige Öffnung aufweisen. Je genauer der Fokus mit der Empfangsebene der Fotodiode zusammenfällt, desto stärker wird das Lichtstrahlbündel auf einen schmalen streifenförmigen bzw. linsen­ förmigen Bereich gebündelt. Dieses Abbildungsmuster wird somit sowohl durch die Form der Blenden 19, 23 als auch durch die Fokussierung des zylindrischen Linsen­ systems 15, 24 ausgebildet.

Bei der erfindungsgemäßen Lichtmessstrecke kommen im Wesentlichen die beiden physikalischen Effekte der Lichtbrechung (Refraktion) und der Absorption zur Gel­ tung.

Die Lichtbrechung erlaubt die Unterscheidung zwischen einem Gas und einer Flüs­ sigkeit im Schlauch 15. Da Gas einen Brechungsindex von n = 1 aufweist, wirken die Schlauchwände optisch wie zwei schwach brechende zylindrische Menisken, so dass das Licht als divergente Strahlenbüschel mit geringer Flächenintensität aus dem Schlauch austritt (Fig. 5). Ist der Schlauch mit einer Flüssigkeit gefüllt, die in der Regel einen Brechungsindex von n = 1,3 bis 1,4 aufweist, wirkt das in Fig. 3 ge­ zeigte Linsensystem 15, 24 wie eine stark brechende Zylinderlinse mit kurzer Brenn­ weite, die das Lichtstrahlbündel auf die Fotodiode 9 fokussiert.

Dementsprechend wird bei dem mit Gas gefüllten Schlauch von der Fotodiode 9 eine geringe Lichtintensität gemessen, da mit der Sensorfläche nur ein geringer Bruchteil des divergierenden Lichtstrahlbüschels detektiert wird. Bei mit Flüssigkeit gefülltem Schlauch wird das Lichtstrahlbündel fast vollständig auf die Fotodiode 9 fokussiert, wobei mit der Fotodiode 9 der gesamte Lichtstrahlbündel erfasst und eine entspre­ chend höhere Lichtintensität gemessen wird.

Messungen haben gezeigt, dass der Signalabstand des Signals der Fotodiode 9 zwi­ schen mit Gas und mit Flüssigkeit gefülltem Schlauch bei 1 : 2 liegt und damit weit über dem Signalrauschabstand liegt.

Der weitere physikalische Effekt, die Absorption, wird zur Detektion der im Schlauch befindlichen Chemikalie bzw. Chemikalien verwendet. Das in Fig. 3 gezeigte opti­ sche System, das einen definierten Lichtstrahlbündel auf die Fotodiode 9 abbildet, erlaubt eine sehr präzisere Auswertung der spektralen Absorption. Hierdurch ist es möglich, quantitative Aussagen über die Konzentration bestimmter Chemikalien zu treffen. Dies gilt insbesondere, wenn vergleichende Absorptionsmessungen mit Lichtmessstrecken ausgeführt werden, die auf einen unterschiedlichen Wellenlän­ genbereiche abgestimmt sind.

Eine weitere Erhöhung der Präzision der Lichtmessstrecke zur Absorptionsmessung wird bei dem in Fig. 10 schematisch dargestellten optischen System erzielt, bei wel­ chem gegenüber dem optischen System aus Fig. 3 zusätzlich zwei Kollimatorlinsen 25, 26 derart eingesetzt sind, dass das Lichtstrahlbündel auf die Längsmittenachse des Schlauches 15 fokussiert wird, wodurch alle Lichtstrahlen diese Längsmittenach­ se kreuzen und somit auf einer Durchmesserlinie des Schlauches 15 verlaufen. Jeder Lichtstrahl legt somit innerhalb des Schlauches die gleiche Weglänge, nämlich den Durchmesser D des Schlauches 15, zurück. Dies hat zur Folge, dass alle Lichtstrah­ len gleichmäßig einer Absorption durch das im Schlauch enthaltene Medium unterlie­ gen. Da der Strahlengang in einem solchen optischen System unabhängig vom Bre­ chungsindex des im Schlauch 15 enthaltenden Mediums ist, ist eine solche Anord­ nung unempfindlich gegenüber dem oben erläuterten Brechungseffekt. Mit einer sol­ chen Lichtmessstrecke kann somit nicht zwischen einem gasförmigen und flüssigen Medium aufgrund der Brechungseffekte unterschieden werden und das Messsignal hängt zudem nicht von der Schlauchgeometrie ab, da die Lichtstrahlen die Oberflä­ che des Schlauches im rechten Winkel kreuzen. Die Absorptionsmessung kann bei einer solchen Lichtmessstrecke jedoch äußerst präzise erfolgen.

Nachfolgend wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Über­ wachen einer Chemikalienströmung in einer Vorrichtung zum Synthetisieren von DNA-Sequenzen erläutert. Eine solche Vorrichtung zum Synthetisieren von DNA- Sequenzen ist beispielsweise aus der WO 00/40330 bekannt. Hierbei werden Reak­ tionsgefäße unterschiedliche Chemikalien, wie zum Beispiel ein Aktivator, vier unter­ schiedliche Basenreagenzien A, C, G und T, zwei unterschiedliche Cappingreagenzi­ en, eine Abspaltreagenz, eine Oxidationsreagenz, eine Waschreagenz und zwei un­ terschiedliche Spülungen, wie zum Beispiel Argon und Acetonitril, zugeführt. Die Ba­ senreagenzien werden in der Reaktionskammer zu DNA-Sequenzen synthetisiert. Hierbei wird Dimethoxytrityl (= DMT) abgespaltet. Dimethoxytrityl weist eine intensive rotbraune Färbung auf. Die Konzentration von Dimethoxytrityl ist ein Maß für die Effi­ zienz des jeweiligen Synthesevorganges.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Chemikalienströmung ist deshalb an der Ausgangsseite der Reaktionskammer angeordnet und überwacht die hieraus austretende Chemikalienströmung. Die Lichtmessstrecken I und II, die zuein­ ander parallel verlaufen, sind auf rotes Licht der Wellenlänge λ = 637 nm abge­ stimmt. Die Lichtmessstrecke III ist auf blaues Licht der Wellenlänge λ = 435 nm ab­ gestimmt. Dieses blaue Licht entspricht dem Absorptionsband von DMT. Aus dem Messsignal der Lichtmessstrecke III lässt sich somit die DMT-Konzentration berech­ nen, wobei in die Rechnung allein das Absorptionsgesetz für Licht und der Geome­ triefaktor des Schlauches eingeht.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Messstrecke III keine Kollimator­ optik vorgesehen, weshalb Luftblasen eine geringe DMT-Färbung vortäuschen kön­ nen. Um eine solche Fehlmessung ausschließen zu können, werden mit der Licht­ messstrecke I Luftblasen aufgrund des Brechungseffektes detektiert. Wird mit der Lichtmessstrecke I das Vorhandensein von Luftblasen detektiert, so werden die gleichzeitig von der Lichtmessstrecke III gemessenen DMT-Konzentrationen verwor­ fen.

Bei einer Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung zum Synthetisie­ ren der DNA-Sequenzen kann feinster Metallstaub abgerieben und von der Chemika­ lienströmung aufgenommen werden. Ein solcher Metallstaub absorbiert sowohl rotes als auch blaues Licht. Durch eine kombinierte Auswertung der Signale der Licht­ messstrecken I und III kann somit das Vorhandensein von Metallstaub oder anderen Verunreinigungen festgestellt und eine Fehlfunktion der Synthesevorrichtung festge­ stellt werden.

Bei einer Änderung der der Reaktionskammer zuzuführenden Reagenzien ist es un­ vermeidlich, dass Luftblasen in die Chemikalienströmung gelangen. Die Fig. 8a bis 8c bzw. 9a bis 9c zeigen jeweils die Signale S der Lichtmessstrecken I bis III für eine Strömung von Acetonitril (Fig. 8a bis 8c) mit Luftblasen bzw. von Oxidizer (Fig. 9a bis 9c) mit Luftblasen. Acetonitril absorbiert weder das rote noch das blaue Licht, so dass aufgrund des oben erläuterten Brechungseffektes lediglich beim Auftreten der Luftblasen eine Verminderung der Lichtintensität feststellbar ist, die hier in kurzen Schwankungen auftritt. Als Oxidizer wird eine Mischung aus Tetrahydrofuran, Phyri­ din und Jodin verwendet, weshalb das Signal der Lichtmessstrecke III beim Vorliegen von Oxidizer in Abhängigkeit von dessen Konzentration absorbiert wird, wohingegen die Signale der Lichtmessstrecken I und II beim Vorliegen von Oxidizer ihren vollen Pegel besitzen. Jedoch erkennt man auch hier die Luftblasen durch plötzliche kurz­ zeitige starke Schwankungen im Signal. Diese kurzzeitigen Schwankungen der Lichtmessstrecke I und II weisen im Wesentlichen den gleichen Verlauf auf, der je­ doch um eine bestimmte Zeitspanne Δt versetzt ist. Aufgrund des festgelegten Ab­ standes zwischen den Lichtmessstrecken I und II kann aus dieser Zeitdifferenz Δt die Laufzeit der Luftblasen und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Chemikalien­ strömung ermittelt werden.

Das Auftreten der Luftblasen kann somit zum präzisen Ermitteln der Chemikalien­ strömung und in Verbindung mit dem Innendurchmesser des Schlauches zum Er­ mitteln des Chemikaliendurchsatzes verwendet werden. Dies erlaubt die Feststellung von Undichtigkeiten oder Verstopfungen in der Synthesevorrichtung oder eines Aus­ falls der Förderpumpe. Diese Fehlfunktion können sofort festgestellt und die Synthe­ se verworfen werden.

Insbesondere lässt sich mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung der Gasanteil bei der Zugabe der Reagenzien bestimmen, wodurch ein individuelles Nachfüllen der Reaktionskammern möglich ist, um fehlende Flüssigkeitsmengen auszugleichen. Auf diese Weise kann die Syntheseausbeute auch bei langen DNA- Ketten während der gesamten Synthese optimiert und gleichzeitig teure Chemikalien eingespart werden. Bisher war es üblich, die Förderzeit der Chemikalien länger ein­ zustellen, als es bei einer luftblasenfreien Förderung notwendig gewesen wäre. Hier­ durch wird das Auftreten von Luftblasen in der Regel ausreichend kompensiert. Die Chemikalien sind sehr teuer und werden in der Regel nicht vollständig genutzt, und in extremen Fällen reicht der Überschuss an Chemikalien nicht aus, wodurch die Syn­ these beeinträchtigt wird. Das Zuführen derartiger überschüssiger Chemikalien kann durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfallen. Mit der erfin­ dungsgemäßen Überwachungsvorrichtung können die Chemikalien exakt dosiert zu­ geführt werden.

Aufgrund der präzisen optischen Anordnung und der mehreren Lichtmessstrecken genügt es, die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung anhand von Eichmes­ sungen mit einer beliebig klaren Flüssigkeit, wie zum Beispiel Acetonitril, vor Beginn einer Synthese zu kalibrieren. Eine aufwendige elektronische Kalibrierung mit Flüs­ sigkeiten mit geeichter Färbung ist nicht nötig.

Bei der Überwachung der Synthese von Oligonukleotiden ist im Wesentlichen der DMT-Anteil zu bestimmen. Der Anteil an Oxidizer und der Anteil von IRD700 können grundsätzlich auch bestimmt werden. Die entsprechenden spektralen Bereiche, mit welchen die einzelnen Substanzen überwacht werden können, und die Typen der korrespondierenden Leuchtdioden und Fotodioden sind in nachfolgenden Tabellen für die Messung der Konzentration und die Messung der Gasblasen angegeben.

Messung Konzentration

Messung Gasblasen

Bei jeder erfolgreichen Synthese eines Oligonukleotides wird eine DMT-Gruppe ab­ gespaltet. Die Menge an DMT ist somit proportional zu den vollständig synthetisierten Oligonukleotiden. Bei der Auswertung der Messsignale kann deshalb durch Bestim­ men des Integrals über den DMT-Anteil ein Maß für die Anzahl der erfolgreichen Synthesen der Oligonukleotide ermittelt werden.

Die in Fig. 6a bis 6c dargestellten Diagramme zeigen einen Wechsel von Acetonitril zu Oxidizer. Hierbei sind in Fig. 6a die Messsignale einer auf blauen Licht sensitiven Lichtmessstrecke und in den Fig. 6b und 6c die Messsignale einer auf roten Licht sensitiven Lichtmessstrecke gezeigt. Aus Fig. 6a geht hervor, dass mit blauem Licht die Chemikalien, Acetonitril und Oxidizer, sowie die Luftblasen jeweils einen unter­ schiedlichen Messpegel verursachen, so dass das Vorhandensein einer bestimmten Chemikalie eindeutig detektiert werden kann. Die beiden Chemikalien sind hingegen für rotes Licht gleichermaßen transparent (Fig. 6b, 6c), so dass rotes Licht zur ein­ deutigen Detektion von Luftblasen geeignet ist. Ähnlich verhalten sich die Lichtmess­ strecken beim Durchleiten von Wasser, das sowohl für rotes als auch für blaues Licht transparent ist (Fig. 7a bis 7c).

Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels mit drei Lichtmessstrec­ ken beschrieben. Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich auch lediglich nur zwei Lichtmessstrecken oder mehr als drei Lichtmessstrecken vorgesehen sein. Je größer die Anzahl der Lichtmessstrecken ist, desto komplexere Überwachungs­ aufgaben können erfüllt werden. Die Erhöhung der Anzahl der Lichtmessstrecken erlaubt insbesondere die Detektion unterschiedlicher Chemikalien.

Bezugszeichen

1

Grundkörper

2

Platine

3

Platine

4

Lichtquelle

5

Lichtquelle

6

Lichtquelle

7

Platine

8

Platine

9

Lichtsensor

10

Lichtsensor

11

Lichtsensor

12

a,

12

b,

12

c,

12

d Seitenfläche

13

a,

13

b Stirnfläche

14

Durchgangsbohrung

15

Schlauch

16

Aufnahmebohrung

17

Aufnahmebohrung

18

Aufnahmebohrung

19

Blendenbohrung

20

Anschluss von einer der Lichtquellen

21

Abstrahlbohrung

22

optische Achse

23

Austrittsblende

24

Zylinderlinse

25

Kollimatorlinse

26

Kollimatorlinse

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Überwachen einer Chemikalienströmung, mit
einem Grundkörper (1), der eine rohrförmige Ausnehmung (14) zur Aufnahme eines lichtdurchlässigen Schlauches (15) aufweist,
zumindest zwei Lichtmessstrecken (I, II, III), wobei eine jede Lichtmesstrecke (I, II, III) durch eine Lichtquelle (4, 5, 6) und einen Lichtsensor (9, 10, 11) zum Messen der Lichtintensität des empfangenen Lichtstrahlbündels dargestellt wird, und die Licht­ quelle (4, 5, 6) und der Lichtsensor (9, 10, 11) einer Lichtmessstrecke (I, II, III) dia­ metral zur rohrförmigen Ausnehmung (14) derart angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle (4, 5, 6) ausgesendetes Lichtstrahlbündel von dem Lichtsensor (9, 10, 11) empfangen wird, und
einer Auswerteeinrichtung (AE), die die von den Lichtquellen (4, 5, 6) ausgesandten und von den Lichtsensoren (9, 10, 11) empfangenen Lichtsignale zur Ermittlung einer Flußrate und/oder einer Chemikalienkonzentration auswertet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle (4, 5, 6) und der Lichtsensor (9, 10, 11) derart positioniert sind,
dass das vom Sender ausgestrahlte Lichtstrahlbündel von dem mit einer Flüssigkeit gefüllten lichtdurchlässigen Schlauch (15) etwa auf den Lichtsensor (9, 10, 11) abge­ bildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 5, 6) Leuchtdioden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (9, 10, 11) Fotodioden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmessstrecken (I, II, III) zumindest mit einer Blende (19, 23) versehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu jeder Lichtquelle (4, 5, 6) und benachbart zu jedem Lichtsensor (9, 10, 11) eine Blende (19, 23) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (19, 23) als kreisförmige Blende ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der Lichtmessstrecken Kollimatorlinsen (25, 26) zum Bün­ deln des von der Lichtquelle (4, 5, 6) ausgesandten Lichtstrahlbündels auf die Mit­ tenachse der rohrförmigen Ausnehmung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Lichtmessstrecken (I, II) in Richtung der Chemikalienströmung um ei­ nen bestimmten Abstand versetzt angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 5, 6) und die Lichtsensoren (9, 10, 11) der in Richtung der Chemikalienstrecken versetzt angeordneten Lichtmessstrecken auf jeweils den glei­ chen Wellenlängenbereich abgestimmt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 5, 6) und die Lichtsensoren (9, 10, 11) der in Richtung der Chemikalienstrecken versetzt angeordneten Lichtmessstrecken auf einen Wellenlän­ genbereich mit λ ≧ 600 nm abgestimmt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Lichtmessstrecken (I, III) sich an einem Punkt der Mittenachse der rohrförmigen Ausnehmung (14) kreuzen, und die Lichtquellen (4, 5, 6) und Lichtsen­ soren (9, 10, 11) dieser Lichtmessstrecken jeweils auf unterschiedliche Wellenlän­ genbereiche abgestimmt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmessstrecken (I, II, III) jeweils mit einem Farbfilter versehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) Passbohrungen zur Aufnahme der Lichtquellen (4, 5, 6) aufweist, so dass die Position der Lichtquellen (4, 5, 6) bzgl. der rohrförmigen Aus­ nehmung eindeutig festgelegt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Paßbohrungen mittels einer im Querschnitt kreisförmigen Durchgangsboh­ rung (19) mit der rohrförmigen Ausnehmung verbunden sind, wobei diese Durch­ gangsbohrungen jeweils eine Blende bilden.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einer Vor­ richtung zum Synthetisieren von DNA, um die Chemikalienströmung zu einer Reakti­ onskammer zu überwachen.