DE4114159A1

DE4114159A1 - Faseroptischer detektor

Info

Publication number: DE4114159A1
Application number: DE4114159A
Authority: DE
Inventors: Judy Kaye Partin; Thomas Edwin Ward; Alan Edgar Grey
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1991-04-30
Publication date: 1991-10-31
Also published as: JPH04230856A; FR2661502A1; FR2661502B1; GB2243683B; US5082630A; GB9108256D0; CA2040661A1; GB2243683A; CA2040661C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kompakte und tragbare De tektorvorrichtung für bestimmte chemische Verbindungen, wie beispielsweise gefährliche Chemikalien oder illegale Drogen, beispielsweise Heroin, Kokain oder Marÿuana. Die tragbare Vorrichtung kann zweckmäßigerweise von einer Einzelperson mitgeführt werden, sie ist außerordentlich empfindlich gegen über der zu detektierenden Verbindung und sie wird nur in minimaler Weise durch potentiell störende Substanzen beein flußt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der Verwendung von faseroptischer Spektroskopie. Sensoren zum Detektieren von Licht, emitiert von einer optischen Faser, können in empfind liche, kompakte und ohne weiteres tragbare Weise aufgebaut werden, wobei ein Minimum an Training für deren Gebrauch erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein biologisches System und optische und elektronische Komponenten zur Überwachung der Verminderung der Fluoreszenz dann, wenn ein Subjektmolekül (wie beispielsweise eine Droge) ein fluo reszenzmarkiertes Drogenderivat (Antigen) von einem Antikörper versetzt oder ersetzt, der für die Droge spezifisch ist.

Fluoreszenz tritt dann auf, wenn ein Atom oder ein Molekül sichtbarer Strahlung beim Übergang von einen höheren auf einen niedrigen Elektronikzustand emittiert. Der Ausdruck ist auf Phänomina beschränkt, wo das Zeitintervall zwischen der Ab sorption und der Emission der Energie relativ kurz (10^-8 bis 10^-3 Sekunden) ist, auf welche Weise die Fluoreszenz von der Phosphoreszenz unterschieden wird, wo das Zeitintervall mehre re Stunden übersteigen kann. Fluoreszenzmaterialien können flüssig oder fest sein und auch organische oder inorganische Materialien können Fluoreszenz zeigen. Fluoreszenzkristalle, wie beispielsweise Zink oder Cadmiumsulfid werden in Röhren lampen verwendet, ferner in Fernsehbildschirmen, Szintilla tionszählern und ähnlichen Vorrichtungen. Fluoreszenzfarbstoffe werden zum Markieren von Molekülen auf dem Gebiet der bioche mischen Forschung angewandt.

Der illegale Drogenverkehr auf der ganzen Welt ist ständig im Anstieg begriffen. Es wird geschätzt, daß im Jahre 1985 über 150 metrische Tonnen Kokain und annähernd 6 metrische Tonnen Heroin allein in USA geschmuggelt wurden. Es wird ferner ge schätzt, daß weniger als 4% dieser Drogen ermittelt und be schlagnahmt werden konnten, obwohl die Untersuchungsverfahren verbessert wurden. Im Jahre 1987 wurden 27 000 englische Pfund Drogen konfisziert, im Jahre 1988 38 000 Pfund und in den er sten Monaten des Jahres 1989 10 000 Pfund. Es haben sich je doch auch die Verfahren und Techniken des Schmuggelns verbes sert, so daß nur ein kleiner Prozentsatz der in die USA ein tretenden Drogen konfisziert werden kann. Es wird angenommen, daß ein hoher Prozentsatz der in die USA eingebrachten Drogen in umschlossenen Räumen, wie beispielsweise Ladungsbehältern, enthalten ist. Ein Durchschnitt von annähernd 15 Stunden ist erforderlich, um einen Ladungsbehälter gründlich zu durchsu chen, so daß weniger als 3% der 8 Millionen Ladungsbehälter in die USA eintreten, inspiziert wird. In der großen Anzahl von Ladungsbehältern und beschrifteter Kisten ist eine schnel le Inspektion und Detektion erforderlich.

Ein Grund für die niedrige Rate der Drogenbeschlagnahme be steht darin, daß für die im Felde arbeitenden Beamten keine ausreichende Instrumentierung verfügbar ist. Die meisten der zeit verfügbaren Instrumente, wie beispielsweise Massenspek trometer und Gaschromatographen sind nicht tragbar und erfor dern 100/200 V Leistung und müssen darüber hinaus con gut ausgebildeten Technikern betrieben werden. Es ist somit eine Instrumentierung erforderlich, die ohne weiteres tragbar und mit einem Minimum an Training betätigbar ist, wobei ferner die Instrumente in der Lage sein sollten, die dosierenden Verbin dungen mit außerordentlich niedriger Konzentration festzustel len, ohne dabei von störenden Substanzen beeinflußt zu werden. Ferner sollten die Geräte zur Untersuchung benutzerfreundlich und wenig störanfällig sein.

Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsge mäße Verfahren anfangs zur Feststellung von illegalen Drogen konzipiert wurden, so ist doch die Erfindung in gleicher Weise auch verwendbar für die Detektion eines großen Bereichs von chemischen Verbindungen, und zwar erfolgt die Begrenzung nur durch die biologischen und Markierungsverfahren, die im fol genden noch erläutert werden. Die Erfindung sollte also nicht nur auf die Detektion von Drogen beschränkt angesehen werden. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Verfahren und auch die erfindungsgemäße Vorrichtung auf dem Gebiet geschäftlicher und industrieller Umgebungen verwendet werden, und zwar zur Feststellung des Vorhandenseins gewisser gefährlicher Chemika lien, die in solchen Umgebungen auftreten können.

Kokain- und Heroindämpfe in der Luft werden typischerweise durch Massenspektrometrie und GC-MS bestimmt. Die "Klebrig keit" der Drogenmoleküle und ihre extrem niedrigen Dampfdrücke bilden jedoch Meßprobleme. Die Drogenmoleküle haben die Ten denz, an den Rohrleitungswänden anzuhaften, statt daß sie in die Detektionkammer eintreten. Wegen der niedrigen Dampfdrücke der Drogen ist für die Detektion Konzentration erforderlich. Dies erreicht man typischerweise dadurch, daß man ein großes Luftvolumen durch die Rohrleitung oder ein Filtersystem leitet und sodann die anhaftenden Drogenmoleküle mit Wärme freisetzt.

Ein weiteres Verfahren zum Detektieren von illegalen Drogen ist in US-PS 43 53 886 beschrieben. Dieses Patent beschreibt die Dampfabscheidung von Indium auf einem Glasträger, der so dann mit einem Antikörper überzogen wird, der für eine gegebe ne Droge spezifisch ist. Da Indium als eine Lewis-Säure (ein Elektronenakzeptor) wirkt, wird das Nicht-Antigen bindende Ende des Antikörpers mit einer hohen Aminkonzentration bevor zugt am Indiummetall zur Anhaftung kommen. Das Antigenbin dungsende ist daher frei zur Kombination mit irgendwelchen Drogen (oder Antigen)-Moleküle in der Luft. Nach der Aussetzung gegenüber der Droge kann die Testplatte gelesen werden, und zwar entweder durch visuelle Observation der Neblichkeit oder durch Fluoreszenzmessung. Drogen mit einem Dampfdruck von 1×10^-9 Torr können durch eine Ein- bis Zwei-Minuten-Aussetzung der Testplatte detektiert werden.

Zusammenfassung der Erfindung. In seiner grundsätzlichsten Ausführung sieht die vorliegende Erfindung die Anbringung von Antikörpern an dem entfernt gelegenen Ende einer optischen Fa ser oder eines Wellenleiters vor und die Sättigung der Anti körper mit einem fluoreszenzmarkierten Antigen. Wenn die Aus setzung gegenüber einer Luftprobe erfolgt, so zeigt eine Ver ringerung der Fluoreszenz die Anwesenheit der verdächtigen chemischen Verbindung in der Luftprobe an. Die Spezifizität der Antikörper-Antigen-Reaktionen ergibt sich aus ihrer kom plementären Konfiguration. Bestimmte funktionelle Gruppen am Antigen, wie beispielsweise polare und quaternäre Ammonium gruppen, scheinen sich mit entsprechenden komplementären Strukturen in dem Antikörpermolekül zu verbinden. Das fluo reszenzmarkierte Antigen wird durch die in der Luft befindli che für diesen Antikörper spezifische Verbindung versetzt oder ersetzt und die Detektionsdiode überwacht, das sich aus dieser Versetzung ergebende, abnehmende Fluoreszenz.

Kokain und Heroin enthalten beide ein tertiäres Amin als den primären aktiven Platz oder Stelle und besitzen die folgenden Strukturen:

Zusätzlich zu dem tertiären Amin enthält Heroin auch zwei Acetylester, wohingegen Kokain einen Methylester enthält. Häu fig wird jedoch Kokain als ein Sulfatsalz transportiert, was in effektiver Weise das tertiäre Amin deaktiviert und eine Erniedrigung des Dampfdrucks bedeutet.

Der Dampfdruck von Kokain und Heroin ist extrem niedrig, was die Detektion schwierig gestaltet. Die berechneten Dampfdrücke und Konzentrationen von Dämpfen in Luft als eine Funktion der Temperatur sind in den folgenden Tabellen angegeben:

Derartige Konzentrationen sind unterhalb der zuverlässigen Feststellungsgrenze für die meisten analytischen Instrumenta tionen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dies dadurch überwunden, daß man ein Vakuumsystem einbaut, um eine große Luftmenge über die optische Faser zu ziehen. Die optische Faser ihrerseits wirkt als eine Konzentrationsvorrichtung in der gleichen Weise wie Glasrohr oder ein Filter. Dieses Ver fahren bringt die Drogenkonzentration in den Detektionsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Antikörpervorbereitungen gegenüber einer bestimmten Droge kön nen dadurch gemacht werden, daß man das kleinere Drogenmolekül an größere Trägermoleküle, wie beispielsweise Albumin, anhaf tet und die sich ergebende Kombination in ein Antikörper er zeugendes Gasttier injiziert, wie beispielsweise eine Maus, ein Kaninchen oder eine Ziege. Im Fall von Kaninchen oder Zie gen können Antikörper in großen Mengen erzeugt werden, sie werden jedoch heterogen (polyclonal) sein. Im Falle einer Maus können homogene (monoclonale) Antikörper erzeugt werden, und mit hinreichenden Resourcen können relativ große Mengen herge stellt werden. Albumin wird in Verbindung mit ein niedriges Molekulargewicht besitzenden (kleineren) Drogenmolekülen ver wendet, da Säugetiere typischerweise nicht die Kapazität zur Herstellung von Antikörpern für die kleineren, ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Moleküle, wie beispielsweise Ko kain und Heroin, haben. Beipielsweise beträgt das Molekularge wicht von Kokain ungefähr 300, während das Molekulargewicht von Serum Albumin ungefähr 60 000 beträgt.

Antikörper verbinden sich mit Antigenen unter Verwendung eines "vorderen Endes" (der F_ab-Region) des Antikörpermoleküls. Eine Anzahl von biologischen Molekülen tritt in Wechselwirkung spe ziell mit dem "hinteren Ende" (der F_c-Region) des Antikörpers. Beispiele dieser biologischen Moleküle ist Protein A aus Staphylococcus aureus. Statt die Antikörper direkt mit einer derivatisierten optischen Faser zu verbinden, was wohl zu einem hohen Anteil inaktiver Antikörpermoleküle führen könnte wegen der Zufallsanbringung, ist es möglich, die Faser mit beispielsweise Protein A zu überziehen und sodann zu gestat ten, daß sich der Antikörper mit dem Protein A unter nativen Bedingungen verbindet, möglicherweise gefolgt von einer kova lenten Anbringung des Antikörpers. Dies erzeugt eine Faser, auf der die meisten Antikörpermoleküle orientiert sind, und zwar weisen ihre F_ab-Regionen von der Faser weg, was die Be reitschaft zur Wechselwirkung mit der Droge bedeutet. Proteine können an der Faser unter Verwendung chemischer Reagenzien angebracht werden, und zwar nach der Derivatisierung der Faser mit Aminopropyl- oder Carboxypropylgruppen. Alternativ kann die Faser kovalent mit einem Polyamin vor der Anbringung an dem Protein A überzogen werden.

Um die Bindung der Droge an den Antikörper zu detektieren, ist es möglich, das Verfahren der fluoreszenzmarkierten Antigen vorbelastung oder -vorladung zu verwenden. Wenn Licht durch eine optische Faser läuft, so kann ein bestimmter Prozentsatz entweichen und mit dem die die Faser umgebenden Überzug in Wechselwirkung treten. Wenn die Faser mit einer fluoreszie renden Verbindung überzogen ist und wenn die Wellenlänge des Lichtes an die Erregungseigenschaften der fluoreszenten Über zugsmoleküle (einschließlich irgendwelcher solcher Moleküle, die mit den Antikörpern verbunden sind, die an der Faser befe stigt sind), angepaßt ist, so werden diese Moleküle fluoreszie ren. In der Praxis ist eine antikörperüberzogene Faser mit einem fluoreszenzmarkierten Drogenderivat (Antigen) gesättigt und die Faser wird sodann einer Luftprobe der Droge, die de tektiert werden soll, ausgesetzt. Wenn die Droge vorhanden ist, so versetzen oder ersetzen die in der Luft befindlichen Drogenmoleküle einige der gebundenen fluoreszenzmarkierten Derivate, was eine Abnahme des Fluoreszenzsignals bedeutet. Das Ausmaß der Abnahme ist proportional zur Konzentration der Drogenmoleküle in der umgebenden Umgebung.

Es ist kritisch, daß das fluoreszenzmarkierte Drogenderivat richtig ausgewählt wird. Als erstes muß die Fluoreszenzmarkie rung gute Absorptions- und Fluoreszenzausbeute-Charakteristika besitzen, was eine hohe Sensitivität zur Folge hat. Zweitens muß sie Wellenlängen absorbieren, die zweckmäßigerweise in fa seroptischen Systemen verwendet werden können. Fluorescin (C₂₂H₁₂O₅) und Rhodamin (C₂₈H₃₁ClN₂O₃) werden üblicherweise als Fluoreszenzmakierungen verwendet und erfüllen diese Kri terien. Fluorescin ist ein orange-rotes, kristallines Pulver, welches eine intensive grün-gelbe Fluoreszenz in verdünnten Alkalilösungen zeigt. Rhodamin ist ein grundsätzlich roter Farbstoff strukturell mit Xanthen in Beziehung stehend und bildet eine blau-rote fluoreszierende Lösung. Die Anbringung der Fluoreszenzmarkierungen an die Antigenmoleküle erfordert einen Reaktionsplatz oder eine Reaktionsstelle an dem Antigen molekül und darf nicht mit der Bindung des Antigens an den Drogenantikörper störend wirken. Die Fluoreszenzmarkierung wird an dem Antigen an der gleichen Stelle an der Droge angebracht, die verwendet wird zur Anbringung am Träger für die Antikörpererzeugung. Die Antikörper werden zumeist an die anderen Teile des Drogenmoleküls geleitet, die vom Träger weg stehen und somit wird die Anbringung der Fluoreszenzmarkierung an dieser Position im allgemeinen nicht störend mit der Antikörperbindung wirken. Die Tatsache, daß der Träger an der Droge in dieser Position befestigt wurde, bedeutet auch, daß ein reaktives Atom an der Droge (Antigen) vorhanden ist, an dem die Fluoreszenzmarkierung angebracht werden kann.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines modifizierten Fluorimeters, brauchbar gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Einzelheit des Sensorteils der Fluorimeters;

Fig. 3 eine vergrößerte Zeichnung der Drogensensorspitze;

Fig. 4 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 5 eine schematische Ansicht des Sensorkopfes.

Es sei nunmehr die Erfindung im einzelnen beschrieben. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei bemerkt, daß das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines Perkin-Elmer-Modells 512 Flourimeters 10 bestätigt wurde. Dieses Fluorimeter 10 kann mit Mitteln 12 modifiziert werden, um die optische Faser 18 vor einer Fokussierlinse 14 anzuordnen, um den Eingangsstrahl 16 durch Faser 18 zu fokussieren. Die Faser 18 sieht den opti schen Pfad vor, um das Licht zu einem Ende der mit antikör perüberzogenen Faser zu übertragen. Eine Kammer 20 positio niert das überzogene Ende der Faser 18 vor dem Detektor, was im folgenden noch beschrieben wird. Mindestens zwei Anschlüsse sind im Halter 20 auf jeder Seite der optischen Faser 18 aus gebildet. Ein erster Anschluß 23 ist über Leitung 22 an einer Vakuumpumpe 24 befestigt, um Probenluft über die Faser zu zie hen. Ein zweiter Anschluß 26 gestattet den Eintritt der Pro benmoleküle 28 enthaltenden Luftprobe in die Kammer 20, wie bei 30 gezeigt, und den Kontakt mit der antikörperüberzogenen Faser.

In der Luft befindliche Drogenmoleküle 28 laufen über die überzogene freiliegende Spitze der Faser 18 und ersetzen das Drogenderivat, welches auf die Faser durch Überzug aufgebracht ist. Dies reduziert die Fluoreszenzlichtintensität innerhalb der Kammer 20. Die Lichtintensität wird durch ein Spektrometer durch Fenster 32 überwacht.

Es sei nunmehr auf die Fig. 2 Bezug genommen, wo eine vergrö ßerte Sensoranordnung 40 dargestellt ist, die einen empfind lich gemachten und überzogenen Endspitzenteil 42 der optischen Faser 18 aufweist. Obwohl die Länge dieses Endspitzenteils 42 von der bestimmten Vorrichtung abhängt, beträgt die von den Anmeldern verwendete Länge ungefähr 1 bis 2 cm. Obwohl die Faser in geeigneter Weise ummantelt ist, so ist doch der ent fernt gelegene oder Endspitzenteil 42 nicht ummantelt und bedeckt durch die Bindeagenzien und das Drogenderivat. Eine reaktionsfreudige chemische Verbindung, wie beispielsweise 3-Aminopropyltrimethoxysilan (Silan) wird als ein Adhäsions- oder Klebepromotor verwendet, der das Protein mit der opti schen Faser verbindet. Die mit Protein überzogene Faser wird sodann in eine Lösung eingetaucht, die den Antikörper enthält, wobei sich der Faserüberzug sodann mit den nicht-reaktiven "hinteren Enden" der Antikörpermoleküle kombiniert. Der rich tige Überzug erzeugt eine Faserspitze 42, bei der die reaktive Seite oder das "vordere Ende" des Antikörpers von der Faser wegweist. Alternative Bindeagenzien sind 3-Aminopropyltrietho xysilan und 3-Carboxypropyltrimethoxysilan. Während man auch annimmt, daß das oben genannte Binde- oder Klebeverfahren eine Faser mit den gewünschten Eigenschaften erzeugt, so wird ange nommen, daß ein Antikörper an der Faser durch einen Überzugs prozeß angebracht werden kann, wobei ein Polymerüberzug mit dem darin eingebetteten Antikörper auf die Faser aufgebracht wird. Dieses Verfahren ist weniger zweckmäßig, und zwar wegen der Zufallsorientierung der Antikörper, die sich ergeben kann, in einem Teil der Antikörpermoleküle, die orientiert sind mit ihren aktiven (F_ab) Plätzen entweder eingebettet im Polymer oder in anderer Weise derart orientiert, daß sie nicht für die Anbringung durch Antigene oder Drogenmoleküle verfügbar sind.

Der letzte Schritt bei der Herstellung der Faserspitze 42 be steht darin, den Spitzenteil 42 in das derivatisierte (fluo reszenzmarkierte) Antigen einzutauchen, um die aktiven Gebiete (F_ab) des Antikörpers mit dem markierten Antigen zu saturie ren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ergibt sich die Fluoreszenz von den fluoreszierenden Molekülen, angebracht am Antigen, die aktiviert werden können durch eine bestimmte Lichtwellenlänge von ungefähr 490 nm.

Die Fluoreszenz des markierten Antigens wird durch Licht er regt, übertragen durch die Faser und darauffolgend detektiert durch Lichtüberwachungsmittel, wie beispielsweise ein Spektro skop, und zwar durch Fenster 32, wie in Fig. 2 gezeigt. Wenn die bestimmten Drogenmoleküle, die dem Antigen entsprechen, in die Kammer 20 eintreten, so zersetzen oder ersetzen die in der Luft befindlichen Drogenmoleküle die fluoreszierenden Antigene und heften sich selbst an den Antikörper an. Die reduzierte Fluoreszenz an der Spitze 42 wird durch die Lichtabfühlmittel abgefühlt. Die relative Abnahme der Fluoreszenz kann in eine relative Menge an Drogenmolekülen im Luftstrom, geleitet durch die Kammer 20, extrapoliert werden. Die freie Droge ersetzt die derivatisierte Droge auf dem Antikörper aus einem von zwei Gründen. (1) Die Struktur des Drogenmoleküls wird während der Derivatisierung geändert und ist nicht so fest an den Antikör per gebunden, wie dies eine freie Droge sein würde, oder (2) die Ersetzung erfolgt infolge einfacher Gleichgewichtsbetrach tungen.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Abschnitt der optischen Faser 18 mit einem Mantel 49, wobei die entfernt gelegene Spitze 42 mit einem Proteinüberzug 50 versehen. Antikörper 52 sind am Überzug 50 angebracht und derivatisierte Antigene 54 sind angebracht an dem bestimmten oder spezifischen "vorderen Ende" (F_ab Region) Platz 56 des Antikörpers 52 angebracht darge stellt. Das entgegengesetzte Ende (F_c Region) 58 befestigt den Antikörper 52 am Überzug 50. Wenn der an der Anregungswellen länge gefilterte Lichtstrahl 16 in die entfernt gelegene Spit ze 42 der Faser 18 einläuft, so bewirkt er Fluoreszenz 60 der markierten Antigene 54, die durch ein Spektroskop überwacht werden kann.

Drogenmoleküle 62 mit einer Affinität für den Antikörper 52 ersetzen das fluoreszenz-markierte Antigen 54, dargestellt bei 64, was eine reduzierte Fluoreszenz am entfernt gelegenen Ende oder an der entfernt gelegenen Spitze zur Folge hat.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4 und 5 gezeigt. Das Gehäuse 70 ent hält eine Leistungsversorgung 72, eine Vakuumpumpe 74, eine Vakuumverbindung 76, eine gefilterte Lichtquelle 78, eine Fokusierlinse 80, eine Elektronikpackung 82 und Alarmmittel 84. Das gefilterte Licht 86 wird auf das Ende einer optischen Faser 90 fokussiert, die innerhalb eines flexiblen Kabels 92 enthalten ist. Ebenfalls innerhalb des Kabels 93 ist eine Va kuumleitung 94 enthalten sowie elektrische Leiter 96, welche die Photodioden 98 und 100 mit der Elektronikpackung 82 ver binden.

Die Sensoranordnung 104 weist eine intern reflektierende In tegrationskammer oder Kugel 106 auf mit einer Lufteintritts öffnung 108. Ein Glasrohr 110 enthält die überzogene optische Faser 90, wobei die Fluoreszenzfaseroptikspitze 42 annähernd im Mittelpunkt der Kugel 106 angeordnet ist. Eine Lichtprall platte 114 ist zwischen der optischen Spitze 42 und den Photo dioden 98, 100 eingebaut, um zu verhindern, daß Photonen 116 direkt auf die Dioden auftreffen, so daß eine integrierte Lichtmessung erreicht werden kann. Die beiden Dioden umfassen eine Detektorphotodiode 98 und eine Bezugsphotodiode 100, wo bei letzere als ein Komparator verwendet wird, um eine allge meine Lichtintensitätsänderung zu detektieren, und zwar infol ge von Variablen, wie beispielsweise störenden Verbindungen, Leistungsversorgungsspannungsänderungen, Lichtlecks usw.

Im Betrieb wird die Vakuumpumpe 74 betätigt, wodurch Umge bungsluft in die integrierende Kugel 106, wie beispielsweise bei 102 hereingezogen wird, um die Kugel an der Austrittsöff nung 120 zu verlassen. Wenn die Luftprobe durch das Rohr 110 läuft, werden bei Vorhandensein von Drogenmolekülen 124 diese das markierte Antigen enthalten auf der Faserspitze 42 erset zen, wodurch eine Reduktion der Fluoreszenz und des Auftref fens von Photonen 116 auf den Dioden 98, 100 eintritt. Das durch die Photodiode 98 festgestellte reduzierte Licht wird in eine reduzierte elektrische Ausgangsgröße in die Elektronik packung 82 übertragen, wodurch Alarmmittel 84 aktiviert wer den, und zwar bei einem vorgeeichten Spannungspegel.

Der Spitzenteil 42 der optischen Faser 90 kann an der Faser durch eine Kupplung angebracht werden, die den Ersatz der Spitze nach hinreichendem Gebrauch ermöglicht, wenn die Fluoreszenzeigenschaften sich verschlechtert haben.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Rahmen der Drogendetektion beschrieben wurde, so ist die Erfindung doch auch in gleicher Weise zum Gebrauch mit irgendeiner anderen molekularen Verbin dung geeignet, bei der folgendes vorliegt: (1) Sie kann zur Erzeugung von Antikörpern verwendet werden und (2) sie hat einen Reaktionsplatz, an dem eine fluoreszente Verbindung an gebracht werden kann und die versetzt werden kann von einem Antikörper durch die interessierende Verbindung. Beispiels weise können durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung viele gefährliche industrielle Chemikalien, viele Pestizide und zahlreiche chemische und biologische Kampfagenzien festgestellt werden. Zudem können auch andere Drogen als Heroin und Kokain detektiert werden, wie beispielsweise Marÿuana, wobei hier die aktive chemische Verbindung Tetrahydrocannabinol ist.

Die Erfindung ist nicht durch die oben beschriebenen Merkmale beschränkt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Einen tragbaren faseroptischen Detektor, der das Vorhandensein bestimmter Targetchemikalien abfühlt, und zwar durch Austausch der chemischen Targetverbindung für ein fluoreszenzmarkiertes Antigen, welches mit einem Antikörper verbunden ist, der sei nerseits an einer optischen Faser angebracht ist. Der Ersatz des fluoreszenzmarkierten Antigens reduziert die Fluoreszenz, so daß ein Photoabfühldetektor den reduzierten Lichtpegel auf zeichnet und einen entsprechenden Alarm oder eine entsprechen de Anzeige aktiviert.

Claims

1. Faseroptische Detektorvorrichtung zur Verwendung bei der Detektion bestimmter Molekularverbindungen in Luft, gekennzeichnet durch:
eine mindestens eine Photonenabfühlvorrichtung enthaltende Kammer,
ein klares Rohr innerhalb der Kammer mit einer Eintritts öffnung und einer Austrittsöffnung,
eine optische Faser innerhalb des klaren Rohrs, wobei mindestens ein Teil der Faser daran anhaftend eine Menge an Antikörpern besitzt, die für die molekulare Verbindung spezifisch sind, wobei Antigene an den Antikörpern mit einer fluoreszenten Verbindung daran angeordnet und befe stigt sind,
Luftevakuiermittel, verbunden mit der Austrittsöffnung, eine gefilterte Lichtquelle, die Licht in die optische Faser leitet, und
eine Elektronikpackung, verbunden mit der Photonenabfühl vorrichtung, die eine Leistungsgversorgung und Alarm mitteln derart aufweist, daß dann, wenn eine Änderung der Fluoreszenz durch die Photonenabfühlvorrichtung festge stellt wird, Alarmmittel aktiviert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenabfühlvorrichtung eine Detektorphotodiode aufweist und eine Referenzphotodiode.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Kammer eine Kugel ist mit einer reflektieren den Innenoberfläche.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antikörper an der optischen Faser anhaften, und zwar durch Aufbringen eines chemischen Reaktionsmittels auf die optische Faser, wobei dieses Reaktionsmittel aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopro pyltriethyoxysilan und einem Protein.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische molekulare Verbindung eine Droge aufweist, ausgewählt aus der aus folgendem bestehenden Gruppe: Heroin, Kokain und Tetrahydrocannabinol.

6. Vorrichtung nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die fluoreszierende Verbindung ausgewählt ist aus der aus Fluorescin und Rhodamin bestehenden Grup pe.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die molekulare Verbindung spezifisch für den Antikörper den Antikörper kontaktiert, wobei die Antigen- und Fluoreszenzverbindung versetzt wird und eine Reduktion der Fluoreszenz durch die Photonenabfühlvorrichtung detektiert wird.

8. Faseroptische Detektorvorrichtung zur Verwendung bei der Feststellung von illegalen Drogen in Luft, wobei folgendes vorgesehen ist:

a) eine mindestens eine Photonenabfühlvorrichtung enthal tende Kammer;
b) ein klares Rohr innerhalb der Kammer mit einer Ein trittsöffnung und einer Austrittsöffnung;
c) eine optische Faser innerhalb des klaren Rohrs mit einer Menge von Antikörpern, angeheftet daran, wobei die Antikörper für die zu detektierende illegale Droge spezi fisch sind;
d) fluoreszenzmarkierte Antigene, angebracht an den Antikörpern;
e) Vakuummittel, verbunden mit der Austrittsöffnung;
f) eine gefilterte Lichtquelle, die Licht in die optische Faser leitet;
g) eine Elektronikpackung, verbunden mit der Photonen abfühlvorrichtung und eine Leistungsversorgung sowie Alarmmittel derart aufweisend, daß dann, wenn eine Fluo reszenzänderung durch die Photonenabfühlvorrichtung de tektiert wird, die Alarmmittel aktiviert werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenabfühlvorrichtung eine Detektorphotodiode und eine Referenzphotodiode aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine Kugel mit einer reflektierenden Innen oberfläche ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der optischen Faser mit einem chemischen Reaktions mittel anhaftenden Antikörper ausgewählt sind, aus der folgenden Gruppe: 3-Aminopropyltrimethyoxysilan, 3-Amino propyltriethyloxysilan und 3-Carboxypropyltrimethoxysilan und daraufhin Aufbringen von Protein A aus Staphylococcus aureus.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Reaktionsmittel 3-Aminopropyltrimethyoxysi lan und das fluoreszenzmarkierte Antigen mit Fluorescin markiert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten Drogen aus der Kokain-, Heroin und Tetrahydrocannabinol enthaltenden Gruppe ausgewählt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel eine Prallplatte aufweist, um zu verhindern, daß fluoreszentes Licht direkt auf die Photoabfühlvorrichtung von der optischen Faser auftrifft.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Packung eine Leistungsversorgung, eine Lichtquelle, eine Fokussierlinse, Vakuummittel und Verbin dungen mit dem klaren Rohr aufweist.

16. Verfahren zum Feststellen von Targetchemikalien in Luft, wobei folgendes vorgesehen ist:

a) Vorsehen eines Luftdurchlasses durch eine Detektions kammer;
b) Einsetzen einer optischen Faser in die Detektions kammer;
c) Überziehen der optischen Faser mit Antikörpern spezifisch für die Targetchemikalie und Anbringen von fluoreszenzmarkierten Antigenen an den Antikörpern;
d) Aussetzen der optischen Faser gegenüber einer Luftprobe, von der man annimmt, daß sie die Targetche mikalie enthält;
e) Messen des Fluoreszenzniveaus der optischen Faser; und
f) Vergleichen des gemessenen Fluoreszenzpegels mit einem Bezugspegel und Einschalten von Alarmmitteln dann, wenn der Fluoreszenzpegel unter einem voreingestellten Grenzwert absinkt, und zwar infolge der Versetzung von fluoreszenzmarkierten Antigenen durch Moleküle der Targetchemikalie.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Antikörper an der optischen Faser mit einem chemischen Überzug anhaften, der folgendes aufweist:

a) 3-Aminopropyltrimethoxysilan und
b) ein Protein.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Protein Protein A von Staphylococcus aureus ist.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die fluoreszierende Verbindung aus der Fluorescin und Rhodamin enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Chemikalie eine illegale Droge ist.