Weber, Thomas
| 1. | MikrowellenTemperaturεenεor zur Meεsung der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit, umfaεεend: 0 a) eine Schicht auε einer lichtabεorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüεεigkeit, b) ein Steigrohr, welcheε mit der lichtabεorbierenden, Mikrowellen nicht abεorbierenden Flüεεigkeit in Kontakt εteht, c) eine Einrichtung zum Einεtrahlen von Licht in das ° Steigrohr, und d) eine Einrichtung zum Meεεen deε auε dem Steigrohr austretenden Lichtsignals. |
| 2. | MikrowellenTemperatursensor nach Anspruch 1, dadurch 0 gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende, nicht Mikrowellen absorbierende Flüssigkeit ein farbmittelhaltiges Öl iεt. |
| 3. | MikrowellenTemperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende, nicht Mikrowellen absorbierende Flüssigkeit eine Flüssigkeit ist, die eine nicht 5 Mikrowellen absorbierende, chromophorenhaltige polymere Substanz enthält. |
| 4. | MikrowellenTe peratursenεor nach einem der Anεprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß daε Steigrohr eine Glas, 0 Kunststoff oder Keramikkapillare ist. |
| 5. | MikrowellenTemperatursenεor nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstrahlen von Licht das Licht entweder entlang der Längsachεe oder εenkrecht zur Längsachse des Steigrohrs einstrahlt. |
| 6. | MikrowellenTemperatursenεor nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einεtrahlen von Licht eine Laεerlichtquelle und eine Lichtleitfaεer umfaßt, wobei die Lichtleitfaεer daε Laεerlicht an daε Steigrohr heranführt. |
| 7. | MikrowellenTemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals eine Lichtleitfaser und ein Fotoelement umfaßt. |
| 8. | MikrowellenTemperatursensor nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignalε ein Fotodiodenarray umfaßt. |
| 9. | Regelkreis zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabεorbierenden Flüεεigkeit, umfaεsend: a) einen MikrowellenTemperatursenεor nach einem der Anεprüche 1 bis 8, b) Einrichtung zum Steuern einer Mikrowellenquelle in Abhängigkeit des gemeεsenen Lichtsignals. |
| 10. | Regelkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle ein im wesentlichen homogeneε Mikrowellenfeld erzeugt. |
| 11. | Regelkreiε nach Anεpruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle eine gepulεte Mikrowellenquelle ist. |
| 12. | Regelkreis nach Anεpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ferner eine Einrichtung zum Kühlen der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit umfaßt. |
| 13. | Verwendung deε Regelkreiεeε nach einem der Anεprüche 9 bis 12 für zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme. |
| 14. | Verwendung des Regelkreises nach einem der Ansprüche 9 bis 12 für einen NukleinsäureAmplifikationεanεatz. |
| 15. | Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der NukleinsäureA plifikationsansatz eine Polymerase Kettenreaktion ist. |
| 16. | Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur einer mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit mit den folgenden Schritten: a) Über oder Unterschichten mindestens eines Teils der mikrowellenabεorbierenden Flüssigkeit mit einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit, b) Inkontaktbringen der über oder unterεchichteten, Mikrowellen nicht abεorbierenden Flüεεigkeit mit einem Steigrohr, und c) Beεtimmung der Temperatur durch Messen der durch daε Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge. |
| 17. | Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenabεorbierende Flüssigkeit mit einem mit dieser nicht mischbaren, farbmittelhaltigen Öl, Paraffin, Isoparaffin, Xylol, flüsεigem Fett oder Mineralöl über oder unterschichtet wird. |
| 18. | Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit mit einem mit dieεer nicht miεchbaren Flüssigkeit über oder unterschichtet wird, die eine nicht Mikrowellen absorbierende, chromophorenhaltige polymere Subεtanz enthält. |
| 19. | Verfahren zur Beεtimmung einer durch Mikrowellenenergie einεtellbaren Temperatur nach einem der Anεprüche 16 biε 18, dadurch gekennzeichnet, daß alε Steigrohr eine Glas, Kunststoff oder Keramikkapillare verwendet wird. |
| 20. | 1. |
| 21. | Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüεεigkeit mittelε Mikrowellenεtrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenabεorbierende Flüεεigkeit mindeεtens teilweise mit 5 einer Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit über oder unterschichtet wird und die Mikrowellenstrahlung solange auf die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit einwirken gelassen wird, bis in einem mit der Mikrowellen nicht abεorbierenden Flüεεigkeit in Kontakt gebrachten Steigrohr die Steighöhe der (^ Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit durch volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüεεεigkeit εo geändert wird, daß die durch Meεεen der durch daε Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmte Steighöhe der gewünschten erhöhten Temperatur entspricht. 5. |
| 22. | Verfahren zum Einstellen einer erhöhten Temperatur nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen von unten auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird. 0. |
| 23. | Verfahren zum Einstellen einer erhöhten Temperatur nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenstrahlung gepulst einwirken gelassen wird. |
MIKROWELLEN-TEMPERATURSENSOR FÜR FLÜSSIGKEITEN UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG SOWIE V ERFAHREN ZUR EINSTELLUNG EINER TEMPERATUR EINER FLÜSSIGKEIT DURCH MTKRCWELLENENERGIE
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Tempera¬ tursensor zur Messung der Temperatur in einer Flüssigkeit, welche Mikrowellen absorbieren kann, einen Regelkreis zum Ein¬ stellen der Temperatur in einer solchen Flüssigkeit, welcher diesen Mikrowellen-Temperatursensor umfaßt, sowie die Verwen¬ dung eines solchen Regelkreises für zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie ein- stellbaren Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüs¬ sigkeit und ein Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Tem¬ peratur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mittels Mikrowellenstrahlung.
Mikrowellen werden in der industriellen Technik in zunehmendem Maße als Energiequelle eingesetzt. So werden Mikrowellen bei¬ spielsweise in der Lebensmittel-Industrie zum Trocknen, Kondi- tionieren, Rösten und Pasteurisieren, in der holzverarbeiten¬ den Industrie sowie in der Landwirtschaft zum Trocknen, und in der Kunststoff-Industrie in verschiedensten Verfahren verwen¬ det.
Sehr aussichtsreich erscheint auch die Erhitzung von Flüssig¬ keiten durch Mikrowellen. Dies betrifft insbesondere Anwendun- gen, bei denen durch Mikrowelleneinstrahlung Temperaturerhö¬ hungen in Flüssigkeiten erzeugt werden, um chemische oder phy¬ sikalisch-chemische Prozesse in der Flüssigkeit in Gang zu setzen oder ablaufen zu lassen. Die Mikrowellenerhitzung von Flüssigkeiten hat den besonderen Vorteil, daß durch die hochenergetische Strahlung von ca. 0,3 GHz bis ca. 300 GHz und durch starke Durchdringung der Flüssigkeit mit relativ hohen
Eindringtiefen eine sehr rasche Temperaturerhöhung stattfinden kann. Dabei wird die Erwärmung der Flüssigkeit hauptsächlich durch die spezifische Absorptionsrate der Flüssigkeit und der Intensität und Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung beeinflußt. Die Wärmeerzeugung in der Flüssigkeit ist auf die Absorption der eingestrahlten Mikrowellen zurückzuführen, wobei Moleküle mit polarer Struktur (Dipole) der Flüssigkeit, im allgemeinen das Lösungsmedium, angeregt werden. Begleitend zur Umwandlung von Mikrowellenenergie in Wärmeenergie findet eine Wärmeleitung in der Flüssigkeit statt, so daß beide Effekte zur Erhitzung der Flüssigkeit beitragen.
Ein Hindernis für die breite Anwendung der Mikrowellenerhit¬ zung in der industriellen Technik, insbesondere zur Erhitzung von Flüssigkeiten zur Kontrolle und zum Einstellen chemischer oder physikalisch-chemischer Prozesse, besteht jedoch darin, daß es bisher keine geeigneten Mittel gibt, um eine gewünschte oder zu erreichende Temperatur zuverlässig und exakt zu bestimmen oder einzustellen. Herkömmliche Temperaturmeßgeräte, wie Thermometer, Thermoelemente und Thermistoren sind für diesen Zweck ungeeignet, da diese Materialien enthalten, die selbst Mikrowellen absorbieren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellen- Temperatursensor bzw. einen Regelkreis zum Messen bzw. zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, um eine genaue und zuverlässige Messung bzw. Einstellung der Temperatur in der Flüssigkeit zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Mikrowellen-Temperatursen¬ sor, der eine Schicht aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowel¬ len nicht absorbierenden Flüssigkeit, ein Steigrohr, welches mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt steht, eine Einrichtung zum Einstrahlen
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von Licht in das Steigrohr, und eine Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals umfaßt, sowie durch einen Regelkreis, der zusätzlich zu dem genannten Mikro¬ wellen-Temperatursensor eine Einrichtung zum Steuern einer Mi¬ krowellenquelle in Abhängigkeit des gemessenen Lichtεignals umfaßt.
Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung bestehen in der Verwendung des erfindungsgemäßen Regelkreises für zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme, insbesondere solche, die in einem Nucleinsäure-Amplifikationsansatz eingesetzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung vorliegender Erfindung besteht in einem Verfahren zur Bestimmung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Temperatur einer mikrowellenabsorbierenden Flüs¬ sigkeit, welche die folgenden Schritte umfaßt: a) Über- oder Unterschichten mindestens eines Teils der mikro¬ wellenabsorbierenden Flüssigkeit mit einer licht¬ absorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, b) in Kontaktbringen der Über- oder Unterschichten, Mikrowel¬ len nicht absorbierenden Flüssigkeit mit einem Steigrohr, und c) Bestimmung der Temperatur durch Messen der durch das Steig¬ rohr durchgelassenen Lichtmenge.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit mittels Mikrowellenstrahlung, wobei die mikrowellenabsorbierende Flüs¬ sigkeit mindestens teilweise mit einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit über- oder unter¬ schichtet wird und die Mikrowellenstrahlung solange auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird, bis sich in einem mit der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt gebrachten Steigrohr die Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit durch die volume-
trische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit so geändert wird, daß die durch Messen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmte Steighöhe der gewünschten Temperaturerhöhung entspricht.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatur¬ sensors.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Aus¬ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatur¬ sensors, welcher gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Modifikationen aufweist.
Fig. 3 bis 5 zeigen schematische Darstellungen weiterer Aus¬ gestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors, welche sich durch Modifikationen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ergeben.
Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemä¬ ßen Mikrowellen-Temperatursensors, der in einem erfindungsge¬ mäßen Regelkreis zum Einstellen der Temperatur in einer mikro¬ wellenabsorbierenden Flüssigkeit integriert ist. Die Fig. 6 und 7 dienen ferner zur Erläuterung eines Verfahrens zur Be¬ stimmung sowie eines Verfahrens zur Einstellung einer durch Mikrowellenenergie einstellbaren Tempertur in einer mikrowel¬ lenabsorbierenden Flüssigkeit.
Bei der Anwendung des erfindungεgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors, wie er beispielhaft durch die Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 5 gezeigt ist, zur Messung der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit bzw. beim
Integrieren des Temperatursensorε in den erfindungsgemäßen Regelkreis zum Einstellen der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit muß der Mikrowellen- Temperatursensor in die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit eingebracht bzw. eingetaucht werden, daß die mikrowellen¬ absorbierende Flüssigkeit mindestens teilweise mit der nachstehend näher erläuterten Schicht aus einer lichtab¬ sorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit über- oder unterschichtet ist.
Die Flüssigkeit, bei der der Mikrowellen-Temperatursensor zum Messen bzw. zum Einstellen der Temperatur angewandt werden kann, muß Bestandteile enthalten, die Mikrowellen absorbieren, um eine Wärmeerzeugung und infolgedessen eine volumetrische Änderung der Flüssigkeit zu gewährleisten, damit die Temperaturmessung gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann. Die Fähigkeit zur Mikrowellenabsorption wird in der Regel durch das Flüssigkeitsmedium gewährleistet, welches hierzu einen im wesentlichen polaren Charakter zur Mikrowellenanregung aufweist. Die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit kann somit als Lösungsmittel beispielsweise Wasser, Niedrigalkohole wie Methanol und Ethanol, dipolar- aprotische Lösungsmittel wie DMF und DMSO, oder Mischungen dieser Lösungsmittel untereinander oder deren Mischungen mit anderen, damit mischbaren Flüssigkeitsmitteln enthalten. Ein bevorzugtes Flüssigkeitsmedium ist Wasser oder eine wäßrige Mischung.
Die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit der Schicht im erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensor ist mit der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit geeigneterweise nicht mischbar. Beide Arten von Flüssigkeit können jedoch für die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensors auch mischbar sein. In diesem Fall ist jedoch auf der Seite der
Flüssigkeitsschicht aus der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, welche mit der mikrowellen¬ absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt kommt, eine elastische Membran als dünne Zwischenschicht vorzusehen, um ein Vermischen beider Flüssigkeiten zu vermeiden, während bei Nichtmischbarkeit beider Flüssigkeitsarten eine solche elastische Zwischenschicht nicht erforderlich, sondern lediglich fakultativ ist.
Als lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüs¬ sigkeit, welche die Schicht des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors bildet und welche bei der Anwendung des Tem¬ peratursensors zur Temperaturmessung bzw. -einstellung in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit eine Schicht oberhalb oder unterhalb der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ausbildet, eignen sich beispielsweise Öle, Mineralöle, Paraffine, Isoparaffine, Xylol, flüssige Fette und dergleichen. Zur Lichtabsorption enthalten diese Flüssigkeiten vorzugsweise Farbmittel. Als lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit eignet sich jedoch auch ein flüssiges Material, die eine polymere Substanz, z.B. ein Kunststoffpolymer, enthält, welche, entweder entlang der polymeren Kette oder in geeigneten Seitenketten, chromophore Gruppen tragen, so daß Lichtabsorption bereits inhärent gegeben ist und die Zugabe von Farbmitteln in die Flüssigkeitsschicht somit nicht erforderlich ist. Das Material für die lichtabsorbierende Schicht sollte jedoch im wesentlichen keine oder nur in geringem Ausmaß dipolare Gruppen enthalten, um Mikrowellenabsorption zu vermeiden.
Das Steigrohr steht mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit in Kontakt, damit die lichtabsorbierende Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit aufsteigen kann, wobei der Kontakt beispielsweise durch Berührung der Oberfläche der Flüssigkeitsschicht oder durch
Eintauchen in die Flüssigkeitsschicht erfolgt. Das Steigrohr sollte aus einem Mikrowellen nicht absorbierenden Material gebildet sein, beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Keramik. Das Steigrohr hat vorzugsweise die Form einer dünnen Kapillare. Durch den Kontakt des Steigrohrs mit der Flüssigkeitsschicht können je nach Art der Flüssigkeit Kapillaritätserscheinungen auftreten, wie Kapillardepression bzw. Kapillaraszension oder -attraktion (Absinken bzw. Aufsteigen der Flüssigkeit in dem Steigrohr) sowie Kapillarkondensation. Solche Kapillaritätserscheinungen beeinträchtigen die Funktionsweise des Mikrowellen- Temperatursensors jedoch nicht, da sie bei der Eichung des Temperatursensors berücksichtigt werden.
Die Größe der Schichtfläche aus der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flussigkeitund die Größe des Querschnitts des Steigrohrs bzw. der Kapillare unterliegen keinen besonderen Einschränkungen. Die einzelnen Flächengrößen sollten jedoch einzeln und in Verbindung zueinander so eingestellt werden, daß sich eine merkliche Änderung der Füssigkeit in dem Steigrohr und somit eine gut meßbare Änderung der aus dem Steigrohr austretenden Lichtmenge, wie nachstehend erläutert, ergibt. Um eine hohe Meßempfindlichkeit zu erreichen, sollte die Schichtfläche der licht¬ absorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit wesentlich größer sein als die Querschnittsfläche des Seigrohrs, geeigneterweise in einem Bereich Schichtfläche der Flüssigkeitsschicht zu Querschnittsfläche des Steigrohrs von mindestens 5 : 1, beispielsweise 5 : 1 bis 10 000 : 1.
Das Licht, welches durch eine entsprechende Einrichtung in das Steigrohr eingestrahlt wird, durchläuft das Steigrohr, und das aus dem Steigrohr wieder austretende Licht dient anschließend als Lichtsignal, welches einen Rückschluß auf die Steighöhe der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden
Flüssigkeit in dem Steigrohr zuläßt. Das aus dem Steigrohr austretende Lichtsignal wird anschließend durch eine geeignete Einrichtung gemessen.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors zur Temperaturmessung oder -einstellung in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, wobei die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit als Über- oder Unterschicht mit der zu bestimmenden bzw. einzustellenden mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit in Kontakt tritt, wird in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit durch dessen Erwärmung infolge Mikrowelleneinwirkung eine volumetrische Änderung bewirkt, worauf sich eine entsprechende Änderung in der Steighöhe der in dem Steigrohr befindlichen und mit der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit in Kontakt stehenden lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit ergibt.
Die volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit stellt im allgemeinen eine Ausdehnung (Dilatation) dar, da die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit üblicherweise einen positiven Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß sich im Effekt die Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr erhöht. In seltenen Fällen, bei denen die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einen negativen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweist, kann die volumetrische Änderung auch in einer Kontraktion bestehen, wodurch die Steighöhe Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit im Steigrrohr erniedrigt wird.
Die demnach geänderte, d.h. erhöhte oder erniedrigte Schichtdicke der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr verändert in entsprechendem Maße das aus dem Steigrohr austretende
Lichtsignal, was durch die Licht-Meßeinrichtung registriert wird. Somit ist der verringerte (im Fall der Dilatation der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit) bzw. erhöhte (im Fall der Volumentkontraktion der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit) Lichtstrom ein Maß für die Temperatur der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausfüh¬ rungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Mikrowellen-Tempera¬ tursensor 10 mit einer Schicht aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit 11 und dem Steig¬ rohr 12. Die lichtabsorbierende Flüssigkeit hat in diesem Beispiel bereits vor dem Eintauchen des Mikrowellen- Temperatursensors in die zu messende mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit durch Kapillarkräfte eine bestimmte Steighöhe in dem Steigrohr 12 erreicht. Mit 13 ist eine Lichtquelle ge¬ zeigt, welche Licht entlang der Längsachse des Steigrohrs ein¬ strahlt. Um eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit zu errei¬ chen, sollte die Lichtquelle 13 eine hohe Lichtintensität auf¬ weisen. Als Lichtquelle geeignet ist z.B. eine Quecksilberdampflampe, eine Wolframglühlampe, eine Xenonlampe oder ein Laser. Ferner sollten die Art der Lichtquelle 13 sowie die Lichtabsorptionseigenschaften der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit so gewählt werden, daß eine Absorption, vorzugsweise ein starke Absorption, der Flüssigkeit durch das entsprechende Licht stattfindet. Das aus dem Steigrohr austretende Lichtsignal wird über eine Lichtleitfaser 14, welche beispielsweise eine Fieberglasfaser oder eine lichtleitende Kunststoffaser ist, zu einer Einrichtung zum Messen des Lichtsignals geleitet, welche einen Lichtleiterstecker 15 und ein lichtempfindliches Element (Fotoelement) 16 umfaßt. Als lichtempfindliches Element 16 kann beispielsweise ein aktives Fotoelement (Solarzelle) oder ein passives Fotoelement, wie ein Fototransistor, ein Fotowi¬ derstand oder eine Fotodiode, dienen. Eine Deckplatte 17, wel-
ehe auf der gesamten Oberfläche der Flüssigkeitsschicht 11 mit Ausnahme einer Aussparung für das Steigrohr 12 ausgebildet ist, dient dazu, daß bei der Anwendung des Temperatursensors zur Messung der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit der gesamte Druck, der durch die thermische Ausdehnung auf die untere Seite der Flüssigkeitsschicht 11 einwirkt, sich auf den relativ kleinen Querschnitt des Steigrohrs 12 auswirkt, damit sich auch bei einer relativ kleinen Volumenänderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit eine relativ große Änderung in der Steighöhe der lichtabsorbierenden Flüssigkeit im Steigrohr 12 ergibt. Die Deckplatte 17 ist geeigneterweise aus Glas, Kunststoff oder Keramik. Falls ein Druckausgleich im Steigrohr erforderlich ist, kann im oberen Teil des Steigrohrs eine Öffnung zur Druckentlastung vorgesehen werden.
In der Fig. 1 ist ferner eine Membran 18 aus elastischem Kunststoff gezeigt, welche bei der Anwendung des Temperatursensors zur Messung der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit als Zwischenschicht zwischen der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit und der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ausgebildet ist. Damit das von der Lichtquelle 13 stammende Licht ohne wesetliche Verluste der Lichtintensität auf die Flüssigkeitsschicht 11 einwirken kann, sollte die Membran 18 eine hohe Transparenz aufweisen. Durch die Elastizität der Membran kann der durch die Volumenänderung erzeugte Druck von der einen auf die andee Flüssigkeit, z.B. der Dilatationsdruck der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit auf die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit, übertragen werden. Eine solche Zwischenschicht 18 ist jedoch für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Temperatursensors nicht erforderlich. Falls dies gewünscht wird, kann die Zwischenschicht 18 weggelassen werden, so daß aufgrund einer dann erforderlichen Nichtmischbarkeit der
lichtabsorbierenden Flüssigkeit in der Schicht 11 und der in Fig. 1 nicht gezeigten, mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ein Kontakt zwischen beiden Flüssigkeitsarten auch durch direktes Überschichten der Flüssigkeitsschicht 11 über der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zustande kommt.
In dem Mikrowellen-Temperatursensor können ferner Mittel vorgesehen sein, die eine Abschirmung des Lichtsignalweges gegenüber äußerer Lichteinwirkung (z.B. Tageslicht) gewährleisten, so daß lediglich das spezifische, aus der lichtabsorbierenden Flüssigkeit austretende Lichtsignal von der Licht-Meßeinrichtung empfangen wird.
Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensor 20 (die Lichteinstrahl- Einrichtung 13 sowie die Lichtsignal-Meßeinrichtung 15, 16 sind in diesem Ausschnitt nicht dargestellt), welcher gegenüber der Temperatursensoranordnung gemäß Fig. l so modifiziert ist, daß anstelle der Deckplatte 17 eine um das Steigrohr geformte zylindrische Hülse 19 ausgestaltet ist, die aus den gleichen Materialien wie die Deckplatte 17 sein kann. Diese schützt das Steigrohr 12 vor einem Abbrechen. Ferner kann die zylindrische Hülse 19 das Steigrohr 12 effektiv vor äußeren Lichtstrahlen abschirmen. Eine zylindrische Verlängerung 27 der Hülse 19 bildet eine Kammer bzw. ein Gefäß zur Aufnahme der lcihtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit.
In einer gemäß Fig. 2 gezeigten Ausführungsform kann auch eine Längsbohrung eines Zylinders an sich bereits als Steigrohr für die lichtabsorbierende, Mirkowellen nicht absorbierende Flüssigkeit dienen, ohne daß ein zusätzliches Steigrohr erforderlich ist.
Fig. 3 zeigt eine andere Auεführungsform 30 des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursenεorε mit der Schicht 31 aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, einem Steigrohr 32, in die durch Kapillarkräfte die Flüssigkeit aus 31 angestiegen ist, eine Lampe 33 als Licht-Einstrahleinrichtung, eine Lichtleitfaser 34 sowie ein Lichtleitstecker 35 und ein Fotoelement 36 als Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignalε. Die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit auε 31 befindet εich in dieser Ausführungsform in einer kleinen Flüssigkeitskammer 37. Die Flüsεigkeitska mer besteht geeigneterweise auε einem transparenten, Mikrowellen nicht absorbierenden Material, z.B. Glas.
In dieser Ausführungsform deε erfindungsgemäßen Mikrowellen- Temperatursensors weist die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit 31 eine geringere Dichte als die zu bestimmende mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit auf, so daß beim Einsatz des Temperatursensorε zur Meεεung der Temperatur in der mikrowellenabεorbierenden Flüsεigkeit die Schicht 31 unter der mikrowellenabεorbierenden Flüεεigkeit liegt.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Auεführungsform 40 des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensorε mit den bereits beschriebenen Einrichtungen der Flüssigkeitsεchicht 41, dem Steigrohr 42, der Lichtleitfaser 44, dem Lichtleitstecker 45 und dem Fotoelement 46. Von der Deckplatte 47 auε ist eine Kammer bzw. ein Gefäß zur Aufnahme der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit auεgebildet. Alε Einrichtung zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr dienen hier eine Laserεtrahlquelle 43 und eine Lichtleitfaser 48 und ggf. optische Elemente 49, wie Linεen, Blenden und dergleichen, wobei daε Ende der
lichteinstrahlenden Lichtleitfaser vorzugsweise, wie gezeigt, an der unteren Oberfläche der Flüsεigkeitεεchicht 41 angebracht ist. Die Lichtleiteinrichtung 48, 49 kann jedoch auch bis in die Flüsεigkeitεεchicht 41 eingeführt εein, inεbesondere bis unmittelbar unterhalb der Steigrohröffnung, um nur noch einen kleinen, für die Änderung der Steighöhe der Flüsεigkeit 41 auεreichenden Spalt beεtehen zu lassen. Damit wird erreicht, daß gebündeltes Licht hoher Intensität an daε Steigrohr herangeführt und in daε Steigrohr eingeεtrahlt wird, waε zu einer höheren Meßempfindlichkeit führt.
In der Fig. 5 iεt eine Mikrowellen-Temperatursensoranordnung 50 dargestellt, in der das Licht nicht wie vorstehend beschrieben entlang der Längεachse des Steigrohrs, sondern senkrecht zur Längsachse des Steigrohrs eingestrahlt wird. Hierzu wird seitlich zu einem transparenten Steigrohr 52 eine Licht-Einstrahleinrichtung 53, wie z.B. eine Lampe, angeordnet. Je nach Steighöhe der Flüssigkeit aus der Schicht der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit 51, welche in dem bereits bezeichneten Gefäß mit Deckschicht aufgenommen ist, fällt auf die einzelnen, seitlich des Steigrohrs 52 in vertikaler Richtung angeordneten Fotodiodenelemente 54a, 54b,... 54f eines Fotodiodenarrays entweder die maximal durch das Steigrohr durchläεεige Lichtmenge, oder eine um die Lichtabsorption der im Steigrohr aufgestiegenen, lichtabsorbierenden Flüssigkeit 51 geminderte Lichtmenge, wenn einzelne Fotodiodenelemente, z.B. daε Fotodiodenelement 54f, im Lichtschatten der Flüssigkeits- Steighöhe liegen. Die somit erfaßbare Steighöhe der Flüεεig¬ keit auε der Schicht 51, die einer beεtimmten Temperatur in einer zu messenden mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit bei der Anwendung des Temperatursensorε entspricht, wird von einer Elektrosignal-Meßeinheit 55 regiεtriert, εo daß eine Temperaturbeεtimmung ermöglicht wird. Die Anzahl der zu verwendenden Fotodiodenelemente des Fotodiodenarrays ist frei
wählbar und kann sich nach der durch die Temperaturänderung der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit zu erwartenden Änderung der Steighöhe richten. Bei dieεer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensors, kann es sogar angebracht sein, nur ein, zwei oder drei Fotodiodenelemente zu verwenden, je nachdem, ob mit dem Temperatursenεor lediglich eine, zwei oder drei Temperaturεtufe(n) gemessen werden soll, wobei die Lage dieser einzelnen Fotodiodenelemente entlang des Steigrohrs 52 so gewählt werden müεsen, daß der Lichtschatten infolge entsprechender Steighöhe und Lichtabsorption der Flüssigkeit 51 genau auf die einzelnen Fotodiodenelemente fällt, wenn diese bestimmte(n) Temperatur(en) in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit erreicht sind.
Anhand der Fig. 6 soll nun im folgenden ein Regelkreiε zum Einstellen einer gewünschten Temperatur in einer mikrowellen¬ absorbierenden Flüsεigkeit gemäß vorliegender Erfindung erläu¬ tert werden, in dem ein vorstehend beschriebener Temperatursensor integriert ist. Der Temperatursensor in Fig. 6 umfaßt die Schicht 611 aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, dem Steigrohr 612, der Lichtquelle 613 zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr, der Lichtleitfaser 614, dem Lichtleitstecker 615, dem lichtempfindlichen Element 616 sowie der zylindrischen Hülse 619, in welcher daε Steigrohr 612 mittig durchgeleitet wird und welche die Schicht 611 mit einer Ausεparung für das Steigrohr 612 nach oben hin abdeckt. Die Flüsεigkeitεschicht 611 übersteht eine mikrowellenabsorbierende Flüεεigkeit 640 in direktem Kontakt, und zwar über deren gesamter Oberfläche. Die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit 640 ist in ein Flüsεigkeitsgefäß 630 eingeführt, welches im unteren Teil zur unteren Spitze hin verengt ist. Das Gefäß 630 ist mit einem Schraubverschluß oder einer Kappe verschließbar. Ein εolcheε Gefäß 630 iεt unter der allgemeinen Bezeichnung Mikrozentrifugenröhrchen zur Aufnahme kleinerer
Flüεsigkeitsvolumina bekannt und weit verbreitet. Das durch Lichtabsorption der lichtabεorbierenden Flüssigkeit aus 611 hervorgerufene Lichtsignal wird durch das lichtempfindliche Element 616 in ein elektrischeε Signal, daε ein Stromεignal oder ein Spannungεεignal sein kann, überführt, und anschließend wird das elektriεche Signal an ein Steuerelement 620 weitergegeben. Daε Steuerelement 620 εteuert eine Mikrowellenquelle 621 in Abhängigkeit des vom lichtempfindlichen Element gemessenen und in ein elektriεches Signal umgewandelten Lichtsignalε. Obwohl nicht gezeigt, εollten Einrichtungen vorgesehen sein, die eine Abschirmung der mikrowellenempfindlichen Elemente des Regelkreiεes, z.B. der Meßeinrichtung, des Steuerelementes oder der nachstehend bezeichneten Kühleinrichtung 622, erlauben. Solche Einrichtungen kann der Fachmann im Rahmen seines Könnens und je nach Wunsch ausgestalten.
Eine gewünschte Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit wird eingestellt, indem das Steuerelement 620 so¬ lange einen Impuls an die Mikrowellenquelle 621 zum Abstrahlen von Mikrowellenstrahlung gibt, bis ein der gewünschten ein¬ zustellenden Temperatur entsprechendes elektrisches Signal von dem lichtempfindlichen Element 616 an das Steuerelement 620 weitergegeben wird, wobei sich dieses elektrische Signal vom lichtempfindlichen Element 616 dadurch ergibt, daß durch die volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit ein der jeweiligen Temperatur entsprechendes Lichtsignal an das Fotoelement 616, wie bereits beschrieben, abgibt. Wenn nach Einεtellung der gewünεchten Temperatur die Mikrowellenquelle zur Abεtrahlung von Mikrowellenstrahlung vom Steuerelement 620 abgeschalten wird und die Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit im folgenden wieder unter die gewünschte Einstelltemperatur absinkt, wird dies vom Steuerelement 620 durch Empfang eines der aktuellen Temperatur entsprechenden Lichtsignals bzw. elektrischen Signals
registriert, und das Steuerelement 620 gibt der Mikrowellenquelle 621 von neuem einen Impuls zum Abstrahlen von Mikrowellenenergie. Dabei kann bei dem Steuerelement 620 eine bestimmte Toleranzschwelle voreingestellt werden, die sich daraus ergibt, daß eine bestimmte Temperaturabsenkung von gewünschtem Temperaturwert erfolgen kann, bevor das Steuerelement 620 die Mikrowellenquelle 621 wieder ansteuert.
In bestimmten Fällen, z.B. bei Anwendungen, in denen verschie¬ dene Temperaturstufen durchlaufen werden, wie bei zyklisch wiederkehrenden Temperaturprogrammen, insbesondere bei Nucleinsäure-Amplifikationεansätzen, welche unten näher erläutert werden, kann es erforderlich oder erwünscht sein, in den Regelkreis ferner eine Einrichtung zum aktiven Kühlen der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit zu integrieren. Eine solche Kühleinrichtung ist in Fig. 6 durch die Bezugszahl 622 dargestellt und wird durch daε Steuerelement 620 je nach eingegebenem Programmablauf angeεteuert. Das Kühlen kann durch herkömmliche Art und Weise erfolgen, z.B. durch eine Einrichtung zum Einblasen von Luft, die ggf. gekühlt ist, durch eine Einrichtung mit Kompressionεkältemaschinen und Solekreislauf, durch Kühlung nach dem Gegenstromprinzip, durch Kühlung mit Peltierelement oder durch andere Mittel der Kältetechnik.
Fig. 7 zeigt eine weitere Auεführungsform bzw. Anwendung eines erfindungsgemäßen Regelkreises zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit. Der Regelkreiε in dieεer Auεführungsform umfaßt die bereits erläuterten Einrichtungen einer Schicht 711 aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht abεorbierenden Flüssigkeit, einem Steigrohr 712 in einer zylindrischen Hülεe 719, einer zwiεchen Flüεsigkeitsschicht 711 und mikrowellenabεorbierender Flüssig¬ keit 740 angeordneten elastischen Membran, einer Licht-Ein¬ strahleinrichtung mit einer Laserlichtquelle 713 und einer
Lichtleitfaser 714, die die Laserεtrahlen biε an die elaεti- sche Membran 718 heranführt, eine Lichtleitfaser 724 zum Lei¬ ten des Lichtεignals über den Lichtleitstecker 725 auf das lichtempfindliche Element 726, welches ein entsprechendeε elektrisches Signal an das Steuerelement 720 weiterleitet, so¬ wie eine Mikrowellenquelle 721, welche von dem Steuerelement 720 gesteuert wird. Die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit, deren Temperatur mit dem Regelkreiε eingestellt werden soll, ist in einem größeren Reaktionsbehälter 730 untergebracht, und aus Fig. 7 ist leicht ersichtlich, daß der Temperatursenεor εo angebracht ist, daß die Schicht 711 aus der lichtabsorbieren¬ den Flüssigkeit, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit nur über einem Teil der Oberfläche der mikrowellenabεorbieren¬ den Flüssigkeit Flüssigkeit 730 liegt. Damit bei einer solchen Anordnung der Dilatationsdruck der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit bei Mikrowelleneinwirkung besser auf die Flüssig- keitεεchicht 711 übertragen werden kann, kann εich ggf. vom unteren Ende der Flüssigkeitεschicht 711 bzw. von der elastischen Membran 718 ausgehend eine zylinderförmige (717a) oder kegelstumpfförmige (717b) Gefäßeinheit so nach unten in die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit 740 hinein erstrecken, daß sich in der Flüssigkeit 740 in einem unterhalb des Temperatursenεorε liegenden Bereichε eine Flüssigkeitskammer ausbildet, in der der nach oben gerichtete Druck der Flüsεigkeit 740 nicht seitlich ausweichen kann, sondern auf die Flüssigkeitsεchicht 711 gerichtet wird. Der Mikrowellen-Temperatursensor wird vorzugsweise in seiner Position in dem Behälter 730 arretiert, wie durch die Haltevorrichtung 716 schematisch gezeigt ist.
Nicht gezeigt sind wiederum Einrichtungen zur Abschirmung der mikrowellenempfindlichen Elemente deε Regelkreises, die der Fachmann nach Wunsch ausgestalten kann.
Damit die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit durch das Ein¬ wirken der Mikrowellenεtrahlung gleichmäßig erhitzt wird, wer¬ den vorzugsweise Einrichtungen bereitgestellt, die dazu die¬ nen, daß die Mikrowellenquelle ein homogenes Mikrowellenfeld erzeugt. Ein gleichmäßiges Erhitzen der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit wird ggf. weiter dadurch unterεtützt, inεbeεondere bei Anwendungen mit großen Volumina der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, daß Einrichtungen zum Rühren der mikrowellenabsorbierenden Flüεεigkeit vorgesehen sind, wie z.B. ein Rührer. Ferner wird bevorzugt, wie auch in den Fig. 6 und 7 dargestellt, daß die Mikrowellen von unten auf die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit einwirken gelaεsen wird. Dies kann insbesondere dann erwünscht sein, wenn, wie unten näher erläutert wird, in einem Mikrowellenofen, bei dem ein Regelkreis gemäß Fig. 6 eingesetzt wird, neben einem zur Temperaturmessung dienenden Referenzgefäß (630) weitere Gefäße eingebracht sind, welche zur Durchführung von Reaktionen dienen, so daß bei Einwirkung der Mikrowellenεtrahlung von unten kein Gefäß im Strahlungsschatten eines anderen Gefäßes liegt, sondern alle Gefäße gleichmäßig bestrahlt werden.
Ferner kann eε erwünεcht sein, daß als Mikrowellenquelle eine gepulεte Mikrowellenquelle verwendet wird. Durch eine inter¬ vallabhängige Steuerung der Mikrowellenquelle kann nämlich ein "Überschießen" der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit über die gewünschte, einzustellende Temperatur leichter verhindert werden. Dieses "Überschießen" der Tempera¬ tur kann insbesondere dadurch wirksam verhindert werden, daß die zeitlichen Intervalle der Strahlungεperioden verkürzt wer¬ den, je näher die aktuelle Temperatur in der mikrowellenabεor¬ bierenden Flüεsigkeit sich an die gewünschte, einzustellende Temperatur annähert. Weitere Faktoren, die den Erwärmungsver¬ lauf in der mikrowellenabsorbierenden Flüεεigkeit beeinflußen, sind dem Fachmann geläufig, wie z.B. Art der mikrowellenab-
sorbierenden Flüεsigkeit, Probenvolumen der mikrowellenabsor¬ bierenden Flüsεigkeit und Leiεtung εowie Frequenz der verwen¬ deten Mirkowellenquelle, und dieεe Faktoren könne εo eingeεtellt werden, daß eine einzuεtellende Temperatur in der mikrowellenabεorbierenden Flüssigkeit in der gewünschten Zeit erreicht wird.
Zur Anwendung deε erfindungεgemäßen Mikrowellen-Temperaturεen- sors bzw. des erfindungsgemäßen Regelkreises zum Einstellen der Temperatur in einer mikrowellenabεorbierenden Flüεεigkeit muß der Temperaturεenεor zunächεt geeicht werden, d.h. es muß ermittelt werden, welches aus der Schicht mit der lichtabεor- bierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit an¬ tretende Lichtsignal, und demzufolge das aus dem Lichtsignal umgewandelte elektrische Signal, der in der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit herrschenden Temperatur entspricht.
Zur Eichung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursen¬ sors wird vorzugsweise so vorgegangen, daß der Mikrowellen- Temperatursensor in einer mikrowellenabsorbierenden Flüsεig¬ keit gemäß einer Anordnung, wie εie der εpäteren Anwendung deε Temperatursensors entspricht, z.B. in einer gemäß Fig. 6 oder Fig. 7 dargestellten Anordnung, eingereichtet wird, und daß als Erhitzungsquelle anstelle der Mikrowellenquelle eine konventionelle Vorrichtung zum Erhitzen einer Flüsεigkeit z.B. eine konventionelle Erhitzungsquelle, z.B. ein Ofen, verwendet wird. Die aktuelle Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit wird dann durch einen konventionellen Temperaturmeßfühler gemeεεen, woraufhin daε mit den entsprechenden Einrichtungen des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensorε ermittelte Lichtsignal (bzw. das entsprechende elektriεche Signal) dieεer konventionell einge¬ stellten und gemessenen Temperatur zugeordnet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer durch Mi¬ krowellenenergie einstellbaren Temperatur einer mikrowellenab¬ sorbierenden Flüssigkeit wird durchgeführt, indem mindestens ein Teil der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit mit einer lichtabεorbierenden, Mikrowellen nicht abεorbierenden Flüεεig¬ keit über- oder unterεchichtet wird, die über- oder unter¬ schichtete, Mikrowellen nicht absorbierende Flüssigkeit mit einem Steigrohr in Kontakt gebracht wird, und die Temperatur durch Messen der durch das Steigrohr durchgelasεenen Licht¬ menge beεtimmt wird.
Mit Hilfe dieεes erfindungsgemäßen Temperatur-Bestimmungεver- fahrenε kann auch eine gewünεchte, erhöhte Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit durch Mikrowellenεtrah¬ lung eingeεtellt werden, indem die Mikrowellenεtrahlung so¬ lange auf die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit einwirken gelassen wird, bis in dem mit der lichtabsorbierenden, Mikro¬ wellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit in Kontakt gebrachten Steigrohr die Steighöhe der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüεεigkeit durch volumetriεche Änderung der mikrowellenabεorbierenden Flüεεigkeit so geändert wird, daß die durch Messen der durch das Steigrohr durchgelasεenen Lichtmenge beεtimmte Steighöhe der gewünεchten erhöhten Tempe¬ ratur entεpricht.
Die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit kann mit der lichtab¬ sorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit über- oder unterschichtet werden. Entweder ist das Steigrohr bereits mit der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit in Kontakt, während die entεprechenden Teile deε oben erläuterten, erfindungsgemäßen Mikrowellen-Temperatursensorε in die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit eingebracht werden. Dies ist insbeεondere dann eine bequeme Vorgehenεweise, wenn in dem Mikrowellen- Temperatursensor eine elastische Membran (18 in Fig. 1 und 718
in Fig. 7) vorgesehen ist. Alternativ dazu kann, insbeεondere in Fällen, bei denen kleine Probenvolumina für die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit in relativ kleinen Reaktionsgefäßen vorgelegt werden, wie z.B. in einem gemäß Fig. 6 dargestellten Fall, die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüεεigkeit zunächst direkt über bzw. unter die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit über- bzw. unterschichtet werden, und anschließend daε Steigrohr bzw. die Kapillare mit der Schicht der Mikrowellen nicht abεorbierenden Flüεεigkeit durch entsprechendes Plazieren im Gefäß in Kontakt gebracht werden. Eine weitere Möglichkeit der Vorgehensweise besteht darin, daß eine Vorrichtung, welche das Steigrohr sowie ein Gefäß oder eine Kammer zur Aufnahme der lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüsεigkeit aufweiεt, wobei dieεe Vorrichtung die Mikrowellen nicht abεorbierende Flüssigkeit jedoch noch nicht enthält, z.B. einer Vorrichtung, wie sie den Fig. 2 bis 5 zu entnehmen iεt, in ein Gefäß mit der mikrowellenabεorbierenden Flüssigkeit eingebrächt wird, und daß dann die lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht absorbierende Flüs¬ εigkeit in dieεe Vorrichtung eingebracht wird, z.B. durch Zu¬ fuhr durch das Steigrohr oder durch Zuleitung durch eine son¬ stige Zufuhrleitung, so daß schließlich die gewünεchte Schicht derr lichtabsorbierenden Flüsεigkeit über oder unter der mikrowellenabεorbierenden Flüssigkeit gebildet wird.
Die Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit wird durch das Mesεen der durch das Steigrohr durchgelassenen Lichtmenge bestimmt, wie oben im Zusammenhang mit dem erfin¬ dungsgemäßen Temperatursensor beschrieben. Die Einrichtung zum Steuern einer Mikrowellenquelle in Abhängigkeit des gemesεenen Lichtεignalε im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelkreises er¬ möglicht dann das Einwirken der Mikrowellenstrahlen auf die mikrowellenabsorbierende Flüsεigkeit, biε die durch Meεεen der durch daε Steigrohr durchgelaεεenen Lichtmenge beεtimmte
Steighöhe der Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit der gewünschten erhöhten Temperatur entspricht. Die die Steighöhe der nicht Mikrowellen absorbierenden Flüssigkeit beeinflus¬ sende volumetrische Änderung der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit kann, wie bereits erläutert, in einer mit Temperaturerhöhung verbundenen Volumenvergrößerung (Dilatation) oder Volumenverkleinerung (Kontraktion bzw. Kompresεion) bestehen.
Die vorliegende Erfindung ist in allen Bereichen der Technik anwendbar, in denen die Temperatur einer Flüsεigkeit durch Mi¬ krowelleneinwirkung beeinflußt werden kann. Die Anwendung ei¬ nes erfindungsgemäßen Regelkreises bzw. eines erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zur Einstellung einer gewünschten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit iεt insbesondere dann sehr nützlich, wenn Verfahren durchgeführt werden, in denen zum Ablauf chemischer oder physikalisch-chemischr Pro¬ zesse relativ rasche Temperaturänderungen erforderlich bzw. vorteilhaft sind. Dies gilt insbesondere für chemische oder phyεikaliεch-chemische Prozeße, in denen zwei oder mehrere Temperaturstufen durchlaufen werden. Beεonderε vorteilhaft iεt die vorliegende Erfindung anwendbar in Prozessen mit zyklische wiederkehrenden Temperaturprogrammen. Solche Temperaturzyklen umfaεεen neben dem Einεtellen und Halten einer gewünschten Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüεsigkeit ge¬ mäß vorliegender Erfindung zusätzliche Schritte zur Absenkung der Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit, was auf herkömmliche Weise durch Kühlung, wie oben dargelegt, durchgeführt werden kann.
Ein besondereε Beiεpiel, in dem zyklisch wiederkehrende Temperaturprogramme angewandt werden, ist die Amplifikation von Nucleinεäure- bzw. Polynucleotidεequenzen. Dieεbezüglich εei insbesondere die Poly erase-Kettenreaktion (engl. "polymeraεe chain reaction", PCR) erwähnt, welche urεprünglich
offenbart ist in den US-Patentschriften Nr. 4 683 292 und Nr. 4 683 195 und weiter beschrieben ist beispielεweiεe in: H.A. Ehrlich R. Gips und H.H. Kazazian: "Polymerase Chain Reaction", in "Current Communications in Molecular Biology", Cold Spring Harbor Laboratory Presε (1988), sowie in: T. Maniatis et al., "Molecular Cloning. A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Preεε (1988). In einem typischen PCR-Verfahren werden nach der OriginalTemplat-Denaturierung bei etwa 94°C für 90 Sekunden im allgemeinen etwa 25 Temperaturzyklen durchlaufen, wobei jeder Temperaturzyklus eine zweiminütige Inkubation bei 37°C zur Primeranbindung ( dem sogenannten "Annealing") , eine dreiminütige Inkubation bei 72°C zur Primerextension εowie eine einminütige Inkubation bei 94°C zur Denaturierung umfaßt.
Zur Durchführung einer gewünεchten chemischen oder physika¬ lisch-chemischen Reaktion, beispielsweise einer Polymersationsreaktion oder für einen Nucleinsäure- Amplifikationεansatz wie der PCR enthält die mikrowellen¬ absorbierende Flüssigkeit, deren Temperatur erfindungsgemäß eingestellt bzw. gemessen werden kann, die für den jeweiligen Anwendungszweck erforderlichen Bestandteile zur Durchführung dieser chemischen oder physikaliεch-chemiεchen Reaktionen, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Ferner kann selbstverständlich die Art der mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit dem jeweiligen Answendungsfall angepaßt werden. Für Nukleinsäure- Amplifikationsansätze beiεpielεweiεe wird üblicherweiεe ein wässrigeε Medium verwendet.
In Anwendungsfällen, bei denen kleine Probenvolumina der mi¬ krowellenabsorbierenden Flüsεigkeit, in der eine erwünschte chemische Reaktion ablaufen εoll, und inεbeεondere dann, wenn mehrere Reaktionεanεätze zur gleichzeitigen Durchführung einer Reaktion mit zykliεch wiederkehrendem Temperaturprogramm durchgeführt wird, wie bei der PCR, wird vorzugεweise ledig-
lieh ein Reaktionsgefäß mit der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit, in welcher die Beεtandteile zur Durchführung der Reaktion weggelaεsen werden können, als Referenzeinrichtung zur Messung und Einstellung einer Temperatur in der mikrowellenabsorbierenden Flüsεigkeit angewandt, wie beiεpielεweiεe in Fig. 6 gezeigt, während gleichzeitig eine oder mehrere Ansätze zur Durchführung der gewünschten chemischen Reaktion in dieser mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit, welche jeweils die entsprechend erforderlichen Bestandteile zur Durchführung der Reaktion enthalten, in den Mikrowellenofen eingebracht werden, um diese Ansätze den gleichen Temperaturbedingungen wie der mikro¬ wellenabsorbierenden Flüssigkeit in der Referenzeinrichtung durch Mikrowelleneinstrahlung und ggf. durch Kühlung zu unterwerfen. Hierzu liegen die Ansätze zur Durchführung der gewünεchten Reaktion vorzugsweise in verglichen mit der Referenzeinrichtung gleichgeformten Reaktionsgefäßen und mit im wesentlichen gleichen Probenvolumina für die mikrowellenabsorbierende Flüssigkeit wie in der Referenzprobe vor. Ferner können die Probenflüssigkeiten zur Durchführung der chemischen oder physikalisch-chemischen Reaktion wie die Referenzprobe ebenfalls mit der Mikrowellen nicht ab¬ sorbierenden Flüssigkeit (z.B. einem Öl) überschichtet werden, um Verdampfungs- bzw. Kondenεationsphänomene zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für Probenflüssigkeiten mit kleinen Volumina, wie zum Beispiel bei Nukleinεäure- Amplifikationεreaktionen.
Die Erfindung wird anhand folgender Beiεpiele näher erläutert.
Beispiel 1
Eichung des Temperatursensors
Ein Mikrowellentemperatursensor, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, wobei jedoch ein Steuerelement, eine Mikrowellenquelle und ein Kühlelement weggelasen wurden, wurde in einem Wasserbad zusammen mit einem konventionellen Quecksilber¬ thermometer plaziert. Alε mikrowellenabεorbierende Flüεsigkeit wurde Wasεer, das gemäß Fig. 6 in einem Mikrozentrifugen- röhrchen vorgelegt wurde, als lichtabsorbierende, Mikrowellen nicht abεorbierende Flüεεigkeit wurde ein mit "Sudan-3" gefärbteε Paraffinöl, und alε Steigrohr wurde eine dünne Glaskapillare verwendet. Das Wasεerbad wurde von unten mittelε einer Wolframglühlampe beleuchtet, um Licht durch daε Steigrohr hindurchtreten zu laεsen. An ein Fotowiderstandεelement war ein Digitalohmmeter angeεchlossen, welcheε den aktuellen Widerεtand deε Fotowiderstandes anzeigte.
Nach schrittweiser Erwärmung der Wasserprobe in dem Mikrozentrifugenröhrchen durch das Wasserbad mittels konventioneller Erwärmung wurde durch Vergleich der Anzeige am Quecksilber-Thermometer mit der Anzeige am Ohmmeter im Bereich zwischen 24 und 56°C in 2"-Schritten jedem Temperaturwert ein Widerstandεwert zugeordnet. Die ermittelten, εich entsprechenden Werte sind in Tabelle 1 angegeben.
Wie sich aus dem der Tabelle 1 zu entnehmenden Verlauf der Temperatur-Widerstandεkurve ergibt, beträgt der durchschnittliche Anstieg des Widerstandes 2,3 Ohm pro °C.
Beispiel 2
Mesεunα eineε Temperaturverlaufε im Mikrowellenfeld
Die in Beiεpiel 1 beεchriebene Anordnung deε Mikrowellen-
Tab.
Temperatur ( ° C) Widerεtand (Ohm)
24 164
26 168
28 172
30 177
32 182
34 187
36 192
38 196
40 201
42 205
44 210
46 216
48 220
50 224
52 229
54 233
56 238
temperaturεenεorε wurde zur Bestimmung des Temperaturverlaufs in der Waεserprobe in einem Mikrowellenfeld nicht in einem Wasserbad, εondern in einem handelsüblichen Mikrowellenherd eingerichtet, wobei jedoch das Quecksilberthermometer entfernt wurde. Die Lichtleitfaser wurde durch eine 1,5 mm Bohrung auε der Mikrowellenabεchirmung des Gerätes herausgeführt, und die Wasserprobe wurde von unten durch eine mit einem Lochgitter abgeschirmte Öffnung im Boden deε Mikrowellengeräteε durchleuchtet. Das Mikrowellengerät wurde bei 300 W Leistung betrieben. Der Widerεtandεverlauf deε Fotowiderεtandeε wurde über 60 Sekunden verfolgt, und aus der gemäß Tab. 1 erstellten Eichkurve wurde auf die Temperaturerhöhung der Wasserprobe rückgeschloεsen.
Für die entsprechenden Mikrowellenεtrahlungs-Einwirkzeiten ergaben sich die in Tab. 2 angegebenen Widerstandεwerte und die darauε ermittelten Temmperaturwerte.
Tab.
Strahlungs¬ Widerεtand (Ohm) Temperatur (°C) dauer (sec)
0 164 24
10 175 29
20 187 34
30 199 39
40 210 44
50 220 48
60 232 53