Die Erfindung bezieht sich speziell auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Mes- sung der Konzentration optisch aktiver Substanzen, insbesondere der Glukose- konzentration in Körperf) üssigkeiten, durch Polarisationsmessung : Durchstrahlt man ein optisch isotropes (nicht absorbierendes) Medium mit linear polarisierten, einfarbigen Licht, so erhä ! t man bei einer Polarisationsanalyse des austretenden Lichtes keine maximale Helligkeit, wenn Polarisator und Analysator parallel stehen und keine Dunkelheit bei gekreuzter Stellung, wie zu erwarten wäre.

Diese Erscheinung kann als Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lich- tes gedeutet werden. Medien, die diese Eigenschaft besitzen, nennt man optisch aktiv.

Dabei ist der Winkel a, um den die Schwingungsebene gedreht wird, proportional zur Langue d des Lichtweges im Meßgut, bei Lösungen außerdem proportional zur Konzentration c des optisch aktiven Stoffes :

Der Proportionalitätsfaktor [a] ist die spezifische Drehung, sie ist stoff-und wellen- längenabhängig.

Ein besonderes Problem besteht für den Fall der Glukose im Organismus, weil bei dem normalen gegebenen Glukosegehalt im Körperwasser von etwa 1 g/L einem mögtichen linearen Lichtweg (d) von mögtichst nicht mehr als 2 cm der Winkel (a) der Drehung der Schwingungsebene eines polarisierten Lichtes nur etwa 0,01° be- trägt, ein Drehwinkel, der sich mit einer gewünschten und erforderlichen Genauigkeit von etwa 3% direkt nicht ermitteln faßt.

Falls-wie im Organismus-der Gehalt vorgegeben ist kommt um den Drehwinkel und damit den Meßeffekt zu vergrößern oder eine Messung überhaupt zu ermög- lichen nur noch eine Vergrößerung des optischen Meßweges im Meßgut in Betracht.

Eine lineare Verlängerung der optischen Wegtänge ist, beispielsweise bei minia- turisierten Meßsystemen, die zur Überwachung chemischer Prozesse in Produkt- ionsanlagen eingesetzt oder für Messungen im menschlichen Körper, (beispiels- weise zur kontinuierlichen Messung des Glukosespiegels) implantiert werden sollen, nicht zu realisieren, d. h. die Meßanordnungen lassen sich nicht ein oder zwei Meter lang machen.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelost, daß der Meßstrahl mehrfach durch das Meßgut geleitet wird, wobei die Umlenkung vorzugsweise durch Total- reflexion entsprechend angeordneter Spiegel und besonders bevorzugt mittels Pris- men erfolgt.

Im Falle einer Polarimetrie kommt es hierbei entscheidend darauf an, die Richtungs- änderung des Strahles ohne Veränderung des Polarisationszustandes des Lichtes zu bewirken, d. h. insbesondere, daß das Licht weder seine Elliptizität ãndert, noch seine Orientierung der Hauptachse : Besonders günstig ist es, wenn linear polarisiertes Licht verwendet wird, und dieses bei Richtungsänderung durch Reflexionen linear polarisiert bleibt, da bei der Analyse

des Polarisationszustandes eine Drehstellung des Analysators zu finden ist, bei dem das Licht vollständig ausgelöscht wird und somit durch verwenden linear po- larisierten Lichtes eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber elliptisch polarisierten Lichts erreicht werden kann.

Die vier FRESNELschen Formein enthalten die vollständige Theorie der Reflexion, Brechung und Polarisation von Lichtsrahlen in und an isotropen Medien. Betrachtet man z. B. den Fall n2/n1 = nrei < 1, d. h. im Medium 1 (Glas) läuft der Lichtstrahl auf die Grenzschicht zum optisch dünneren Medium 2 (Luft) mit der Brechzahl n2 zu. Für den Winkel ß (Einfallswinkel) > ßg (Grenzwinkel) gibt es nach dem SNELLIUSschen Brechungsgesetz keinen reellen Brechungswinkel mehr, was sich physikalisch in einem neuen Phänomen äußert : Ein gebrochener Strahl tritt nicht mehr auf, vielmehr findet sich die ganze einfallende Strahlungsleistung in der reflektierten wieder, es liegt eine Totalreflektion vor. <BR> <BR> <BR> <P>Da die beiden Komponenten Epara) ! e) und Esenkrecht des elektrischen Feldvektors E des Lichtes phasenstarr gekoppelt sind (BERGMANN SCHAFER, Lehrbuch der Ex- <BR> <BR> <BR> perimentalphysik Band III Optik) und ihre zeitliche Phasendifferenz A im allgemeinen nach der Totalreflexionen von Null verschieden ist, bezeichnet man diesen allgemei- nen Polarisationszustand als elliptisch polarisiert. Sowohl die Form als auch die Orientierung ihrer Hauptachsen hängt von der Phasendifferenz A ab.

Erfindungsgemäß soll bevorzugt ein linear polarisiertes Licht nach der Totalreflexion (Richtungsänderung) linear polarisiert bleiben. Dies kann man durch eine Kompen- sation der Phasendifferenz A, nach einer oder mehreren Totalreflexionen erreichen. <BR> <BR> <BR> <BR> <P>Wenn man die Phasendifferenz A im Bereich der Totalreflexion unter Zuhilfenahme der FRESNELschen Gleichungen berechnet, ergibt sich (BERGMANN SCHAFER, Lehrbuch der Experimentalphysik Band III Optik) : Erfindungsgemäß wird ß = 45° (Einfallswinkel) gewãhit, so daß sich folgender Zusam- menhang ergibt :

Bei der Wahl des Glases ist darauf zu achten, daß im Intervall um ß = 45° dA/dß klein ist, damit man einen stabilen Arbeitspunkt erhãlt. Ideal wäre dA/dß=0. Als besonders geeignet hat sich die Glasart SF4 (Schwerflint) erwiesen. Die damit erzielte Phasendifferenz A kann durch handelsübliche Phasenschieber (Ver- zõgerungsplättchen) kompensiert werden, so daß ein vor der Totalreflexion linear polarisiertes Licht nach der Totalreflexion (Richtungsänderung) linear polarisiert bleibt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Vorrichtung zu seiner Durchführung näher beschrieben.

Dabei ist Abb. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Abb. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform ähntich der Abb. 1 Abb. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Gestal- tung Abb. 1 zeigt eine Meßkammer (1) mit zwei rechtwinkligen, gleichschenkligen Prismen (2,3), die mit ihrer Basis an parallel gegenüber liegenden Flächen der Meßkammer so angeordnet sind, daß ein Teil der Meßkammerfläche für den Eintritt des von der Lichtquelle (4) ausgehenden, durch den Polarisator (5) hindurchgehen Meßstrahis freibleibt. Das Prisma (2) überdeckt die ganze Flache der Meßkammer (1) und ist an seiner Spitze parallel zur Basis abgeschnitten, um den Meßstrahl dort austreten zu lassen.

Der Meßstrahl, dessen Verlauf in der Meßkammer und den Prismen durchge- strichelte und mit Pfeilen versehene Linien angedeutet ist, wird nach seinem Austritt im Analysator (6) dann entsprechend dem gewählten Meßverfahren meßtechnisch ausgewertet. Hinter jedem Prisma ist ein Phasenschieber (7,8) angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß die nach jeder Totalreflexion aufgetretene Phasenverschiebung kompensiert wird und der Polarisationszustand des Lichts unverändert bleibt, dies bezieht sich sowohl auf die Orientierung der Hauptachse als auch auf die Elliptizität.

Im günstigsten Fall ist das Licht linear polarisiert.

Abb. 2 zeigt eine Gestaltung ähnlich der Abb. 1, bei der die eine Totalreflexion des Meßstrahis bewirkenden Prismen (9) innerhalb der Meßkammer (10) angeordnet sind. Die Meßkammer (10) weist an einer einander diagonal gegenüberliegenden Ecken Erweiterung in der Form eines rechtwinkligen gleichschenklige Dreiecks auf, das mit einem Schenkel eine Fortsetzung einer Meßkammerwand bilden und deren Basis (11) parallel zu den Schenkeln der Prismen und rechtwinklig zum Meßstrahl angeordnet ist. Die dreieckige Erweiterung der Meßkammer auf der Austrittsseite des Meßstrahis enffällt und dafür ist eine Kante der Meßkammer in der Weise abgeschnitten, daß die zusätzliche Kammerwand (12) parallel zur Basis (11) ange- ordnet ist. Parallel zu den Schenkel der Prismen und rechtwinklig zum Meßstrahl sind Phasenschieber (13,14,15,16) angeordnet. Das Licht besitzt, im Lichtweg, zwischen Totalreflektion (Strahlumlenkung) und Phasenschieber eine Phasenver- schiebung A. Mit einer solchen Gestaltung ist eine in sich geschlossene, der Mini- aturisierung besonders zugängliche Bauweise möglich.

Abb. 3 zeigt eine Gestaltung ähnlich der Abb. 1, bei der jedoch die Prismen (2,3) durch jeweils ein Prismenpaar (17,19 und 21,23) ersetzt sind, wobei zwischen den Prismenpaaren und hinter dem jeweils zweiten Prisma (19,23) dieser Prismenpaare Phasenschieber (18,20,22,24) angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß die nach jeder Totaireflexion aufgetretene Phasenverschiebung kompensiert wird. Mit einer solchen Gestaltung ist eine in sich geschlossene, der Miniaturisierung besonders zugängliche Bauweise möglich. Das Licht besitzt in der gesamten Meßkammer keine Phasenverschiebung A.

Die Meßkammer kann quer zur Richtung des Meßstrahis ein-oder beidseitig offen oder mit einer für das zu messende Medium durchlässigen Membran verschlossen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zu seiner Durchführung vorgeschlagene Vorrichtung erlauben insbesondere eine stark miniaturisierte Bauweise der ganzen Meßvorrichtung, die beispielsweise zur kontinuierlichen Messung der Blutzucker- konzentration einem Menschen implantiert werden kann. Andere Anwendungsbe- reiche sind die Überwachung von insbesondere chemischen Verfahrensabläufen oder deren Steuerung. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Mikroreaktoren, in denen her- kömmfiche Meßanordnungen aus Dimensionsgründen nicht einsetzbar sind.

Anstelle der Prismen beziehungsweise Prismenanordnungen können auch Spiegel zur Umlenkung des Meßstrahis insbesondere dann verwendet werden, wenn keine besonders kleinen Dismensionen erforderlich sind. Die Übertragung der vorstehend für Prismen dargestellten Lösungsformen auf Gestaltungen unter Einsatz von Spie- geln liegt im Wissensbereich des Fachmanns.

Die in nationalen und internationalen Patentschriften (WO 90/04 163, WO 92/13 263, WO 94/05 984, WO 95/14 919, WO 96/25 660, WO 97/28 435, WO 97/ 34 521,0 179 016 A1,0 087 535 A1,03 51 659 B1,03 58 102 A2,0 030 610 B1, 0 153 313 B1,0 123 057 A1, EP 05 15 360 B1, EP 05 34 166 B1, DE 195 19 051 A1, DE 195 40 456 C2, DE 41 14 786 A1, DE 41 33 127 A1, DE 41 33 128 AI, DE 43 17 551 C2, DE 43 19 388 C1, DE 05 15 360 B1, DE 2724543 C2) be- schriebenen optischen Verfahren zur Messung kleiner Glukosekonzentrationen beruhen ausnahmslos auf anderen Meßprinzipien als das hier Beschriebene, ein Erhalt des Polarisationszustandes des verwendeten Lichtsrahis erschien dort in keinem Falle notwendig und wurde nie angestebt.