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REVENDICATIONS
1. Spectrophotomètre caractérisé en ce qu'il comporte:
a) une lampe à éclairs,
b) un dispositif optique stabilisateur servant à rendre cons
tante la distribution spatiale du faisceau de lumière dérivé de
chaque éclair produit dans la lampe éclair,
c) un monochromateur à réseau dispersant la lumière déli
vrée par l'élément homogénéisateur et délivrant un faisceau de
lumière filtrée,
d) un élément de division optique dudit faisceau filtré pour
produire deux faisceaux dont le premier traverse un échantillon
à analyser et le deuxième arrive sur un détecteur lequel délivre
un signal de référence correspondant à l'intensité du deuxième
faisceau,
e) un deuxième détecteur placé pour recevoir le faisceau
émergeant dudit échantillon.
2. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé
en ce que la lampe à éclairs comporte une électrode d'amorçage
se trouvant beaucoup plus proche de la cathode que de l'anode
afin de stabiliser la position de l'arc.
3. Spetrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé en
ce que le dispositif stabilisateur comprend un tube ayant des
parois internes réfléchissantes qui servent à produire des
réflexions multiples du faisceau de lumière dérivé de chaque
éclair.
4. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le monochromateur comprend un réseau concave
holographique.
5. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'élément de division optique du faisceau filtré est une
lame en quartz placée de telle façon que l'angle d'incidence du
faisceau filtré soit compris entre 14 et 20 degrés.
6. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'élément de division optique du faisceau filtré est une
lame en quartz comportant une alternance de bandes transpa
rentes et réfléchissantes.
7. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'un échantillon de référence ou de mesure est interposable sur chacun des deux faisceaux filtrés issus de l'élément de
division.
8. Spectrophotomètre selon la revendication 4, caractérisé
en ce que le monochromateur comporte des caches servant à éviter l'arrivée de la lumière parasite due à l'ordre de diffraction zéro sur la fente de sortie du monochromateur.
9. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif homogénéisateur comprend un cylindre de quartz plein servant à produire des réflexions multiples du faisceau de lumière dérivé de chaque éclair.
10. Utilisation du spectrohotomètre selon la revendication 1 dans un analyseur pour effectuer des analyses dans le domaine de la chimie clinique.
La présente invention concerne plus particulièrement un spectrophotomètre utilisable pour l'analyse optique d'échantillons dans un analyseur rotatif.
On connaît des spectrophotomètres à double faisceau, dans lesquels le double faisceau est obtenu par séparation physique d'un faisceau fourni par un monochromateur (H. Moenke et L.
Moenke-Blankenburg, Optische Bestimmungsverfahren und Geräte für Mineralogen und Chemiker , Akademische Verlagsgesellschaft Geest & PortigK.-G., Leipzig 1965, pages 185-307). Cette séparation en deux faisceaux a pour but la compensation des variations de l'intensité de la source de lumière du spectrophotomètre. L'un des faisceaux sert de référence d'intensité et l'autre traverse l'échantillon à mesurer.
Différentes solutions sont utilisées pour réaliser les fonctions principales des spectrophotomètres. La source lumineuse est constituée par une ou deux lampes à émission continue des types: halogène, deutérium, arc mercure ou/et xénon. Pour le monochromateur, on trouve soit des dispositifs de dispersion à prisme soit à réseau. Enfin, pour les détecteurs on utilise généralement des photomultiplicateurs ou des phototubes et dans certains développements, plus récents, des photodiodes silicium.
Les nombreux types de composants disponibles et les différentes structures possibles donnent de nombreuses possibilités de combinaison susceptibles de réaliser un spectrophotomètre.
Les désavantages des spectrophotomètres connus ont leur
origine principalement dans la source lumineuse et le mono
chromateur utilisés.
La source lumineuse la plus courante pour les applications
dans le spectre visible est certainement la lampe tungstène
halogène. Cependant, ses inconvénients sont bien connus:
- très faible émission dans l'ultraviolet,
- très importante variation d'intensité lumineuse dans le
spectre utile; I'intensité de la lumière à 290 nm est environ 900
fois plus faible qu'à 700 nm,
- taux de lumière parasite important d'où la nécessité d'uti
liser des filtres de blocage onéreux,
- le système de compensation de la variation de l'intensité
lumineuse avec la longueur d'onde doit avoir une grande dyna
mique,
- durée de vie relativement courte,
- mauvais rendement lumineux: 8 Im/W,
- puissance dissipée importante, et
- alimentation électrique de la lampe relativement lourde et
encombrante.
Pour palier les difficultés rencontrées dans l'ultraviolet avec
ce type de lampe, certains spectrophotomètres utilisent une seconde source de lumière, généralement une lampe au deuté
rium. Mais cette solution présente comme inconvénients supplémentaires un coût élevé et un encombrement important.
Comme autre source de lumière, des lampes avec différents types de décharge électrique sont utilisées, par exemple lampes au xénon, au Mercure, à l'argon. Les lampes au xénon présentent le spectre le plus uniforme pour le domaine spectral de l'application et par ailleurs leur efficacité lumineuse est beaucoup supérieure au tungstène, par exemple 21 Im/W avec une lampe de 150 W. Ces lampes sont généralement offertes pour des puissances plus élevées que 100 W et leur emploi pose de sérieux problèmes de refroidissement. L'alimentation et la monture de ce type de lampe sont très volumineuses et coûteuses.
Le monochromateur à réseau constitue la solution de choix pour une variation continue de la longueur d'onde. Cependant, il faut que le taux de lumière parasite résultant de l'association lampe et monochromateur soit très faible, pratiquement inférieur à 1 10-4 Si l'on désire effectuer des mesures avec une bonne linéarité jusqu'à une atténuation de 1000 fois (ce qui correspond à une absorbance = 3). Pour ces performances, on utilise des monochromateurs à double réseau car les monochromateurs à un réseau présentent un taux de lumière parasite trop élevé. Ces monochromateurs à double réseau sont cependant coûteux, encombrants et leur alignement exige relativement beaucoup de temps.
A la base de l'invention, se trouve le problème de réaliser un spectrophotomètre pour un analyseur de chimie clinique comportant un rotor tournant aux environs de 1000 t/min. et sur lequel sont disposés des échantillons de faible volume. Un tel spectrophotomètre doit présenter les caractéristiques suivantes, qu'aucun spectrophotomètre connu ne satisfait aujourd'hui simultanément:
- mesure de l'absorbance d'échantillons liquides déposés dans des cuvettes en rotation à environ 1000 t/min.,
- courte durée de la mesure des 30 échantillons contenus sur le rotor, soit moins de 350 millisecondes,
- intervalle de temps disponible pour une mesure inférieure à 50 microsecondes,
- faible volume d'échantillon de liquide: 200 microlitres,
- selection continue des longueurs d'onde entre 290 et 700 nm,
- largeur de bande: 8 nm,
- large plage d'absorbance mesurable de 0,0 à 3,0.
Cette caractéristique est particulièrement importante dans les instruments automatiques pour couvrir les différences importantes d'absorbance rencontrées entre les cas normaux et les cas pathologiques des matériaux biologiques examinés. Soit par exemple entre un sérum lipémique et un sérum normal.
- reproductibilité des mesures compatible avec les exigences des réactions enzymatiques (écart type 0 < 5 10-4 unité d'ab sorbance). Ceci s'entend dans le sens de la reproductibilité des mesures d'absorbances effectuées sur un même échantillon. Ce point est particulièrement important dans le cas des méthodes cinétiques. Dans ces méthodes la variation d'absorbance est faible au cours du temps, aussi une bonne reproductibilité permet de réduire la durée des mesures. De plus dans ces méthodes, le niveau d'absorbance est parfois assez élevé (1,7-2,2). Aussi la reproductibilité doit être excellente dans une large plage d'absorbance.
- Une excellente linéarité entre l'absorbance et la concentration dans une large plage d'absorbance. Cette linéarité simplifie l'utilisation de l'instrument en éliminant l'utilisation d'une courbe de calibration. A absorbance élevée et spécialement dans l'ultraviolet, la linéarité est difficile à obtenir. Celle-ci
dépend de la pureté de la lumière monochromatique que l'on
peut caractériser par un taux de lumière parasite défini par le
rapport entre l'intensité de lumière résiduelle émise en dehors de la bande spectrale sélectionnée à l'intensité de lumière à
l'intérieure de cette bande.
- faible encombrement. Cette qualité est souhaitée pour un
instrument qui est le plus souvent utilisé dans de petits labora
toires très encombrés.
- maintenance réduite.
- bas prix de revient.
Pour des raisons d'encombrement et de prix de revient du spectrophotomètre à réaliser, il est de plus souhaitable d'utiliser comme détecteurs des photodiodes silicium en association avec
des amplificateurs à faible bruit.
L'obtention des performances photométriques indiquées cidessus avec des temps de mesure aussi courts crée des difficultés techniques particulières relatives d'une part au rapport signal sur bruit à atteindre et d'autre part à l'obtention d'un faisceau de lumière présentant la pureté spectrale nécessaire. De plus, la
forme des cuvettes utilisées pour contenir les échantillons
impose le besoin d'utiliser un faisceau de lumière de petite
section sur une longueur relativement grande, de ce fait l'ouver
ture numérique de l'optique est limitée et par conséquent l'angle
solide de collection de la lumière de la source est aussi limité.
Comme on désire effectuer des mesures reproductibles avec
une atténuation maximale du signal de 1000 fois au travers de
l'échantillon, il est donc nécessaire que le rapport signal sur
bruit soit au moins de 2 105 à absorbance nulle. La mesure
durant un intervalle de temps très court ( < 50 microsecondes)
nécessite un amplificateur à large bande passante, ce qui rend
difficile d'atteindre le rapport signal bruit désiré, car, comme on
le sait, le bruit augmente avec la largeur de la bande passante de
l'amplificateur. L'influence de ce bruit est importante par rap
port à l'influence du bruit présent dans des spectrophotomètres
usuels, dans lesquels on peut diminuer l'influence du bruit sur
les résultats des mesures en intégrant le signal de mesure sur une
ou plusieurs secondes.
Le problème de l'obtention d'un rapport
signal sur bruit suffisant est encore rendu plus difficile, par le fail
que l'on cherche à utiliser des photodiodes silicium dont le bruit
à faible niveau de signal est plus élevé que celui des photomultiplicateurs. Ceci plus particulièrement pour les longueurs d'onde au dessous de 400 nm pour des mesures d'absorption élevée (A=3), en raison de la plus faible sensibilité de ces photodétecteurs dans cette partie du spectre.
Pour atteindre les caractéristiques photométriques indiquées ci-dessus, le faisceau de lumière fourni par le monochromateur doit présenter une grande pureté spectrale, afin d'éviter les problèmes bien connus des non-linéarités introduites par la lumière parasite et des effets de largeur de bande. L'obtention d'un faisceau de lumière présentant la pureté spectrale nécessaire pour satisfaire aux exigences photométriques requises présente des difficultés certaines lorsqu'on cherche en même temps à minimiser le coût et l'encombrement du spectrophotomètre. Pour atteindre ces buts, on cherche à réduire le taux de lumière parasite à une valeur de l'ordre de 1 10 -4 à une longueur d'onde de 290 nm avec un monochromateur à un réseau de courte distance focale (environ 100 mm) (ceci avec une plage spectrale d'émission limitée par un filtre entre 270 et 380 nm).
Le spectrophotomètre selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte:
a) une lampe à éclairs,
b) un dispositif optique stabilisateur servant à rendre constante la distribution spatiale du faisceau de lumière dérivé de chaque éclair produit dans la lampe à éclairs,
c) un monochromateur à réseau dispersant la lumière délivrée par l'élément homogénéisateur et délivrant un faisceau de lumière filtré,
d) un élément de division optique dudit faisceau filtré pour produire deux faisceaux dont le premier traverse un échantillon à analyser et le deuxième arrive sur un détecteur lequel délivre un signal de référence correspondant à l'intensité du deuxième faisceau, et
e) un deuxième détecteur placé pour recevoir le faisceau émergeant dudit échantillon.
Le spectrophotomètre selon l'invention permet d'atteindre les performances désirées indiquées ci-dessus et présente de plus les avantages suivants:
- très faible puissance consommée et dissipée, d'où une alimentation peu coûteuse et peu volumineuse et la possibilité d'intégrer la lampe dans un bloc optique très compact (voir figure 6), en raison de l'absence de contraintes thermiques,
- longue durée de vie de la source (plus de 20 106 éclairs) et des détecteurs, d'où il résulte une bonne fiabilité et une faible maintenance,
- absence d'un temps de stabilisation de l'émission de la lampe utilisée comme source de lumière.
La description ci-après décrit à titre d'exemple et avec référence aux dessins annexés, une réalisation préférée d'un spectrophotomètre selon l'invention. Dans ces dessins:
- la figure 1 est une représentation schématique en perspective de l'arrangement optique d'un spectrophotomètre selon l'invention,
- la figure 2 montre une disposition préférée des électrodes de la la lampe à éclairs 11 dans la figure 1,
- la figure 3 montre de façon schématique une vue en coupe d'une partie du dispositif stabilisateur du faisceau dans l'arrangement optique de la figure 1,
- la figure 4 montre de façon schématique une variante de l'arrangement optique de la figure 1,
- la figure 5 est un schéma de principe montrant l'utilisation d'un spectrophotomètre selon l'invention dans un analyseur rotatif,
- la figure 6 est une vue en perspective montrant la structure compacte et le faible encombrement
d'un spectrophotomètre selon l'invention,
- la figure 7 montre une deuxième configuration des électro
des de la lampe à éclairs 11 dans la figure 1,
- la figure 8 montre de façon schématique une vue d'une
partie d'un deuxième dispositif stabilisateur du faisceau, lequel
peut aussi être utilisé dans l'arrangement optique de la figure 1.
La figure 1 montre en perspectives et de façon schématique
l'arrangement optique d'un spectrophotomètre selon l'inven
tion. Celui-ci comporte:
une lampe à éclairs il; un dispositif optique composé d'un
miroir spérique 12, d'une lentille 13 (distance focale 8 mm,
diamètre 12,5 mm) et d'un tube 14, lequel dispositif appelé ici
dispositif stabilisateur sert à rendre constante la distribution
spatiale et angulaire de la lumière fournie par la lampe à éclairs
à un monochromateur à réseau 16;
une lame séparatrice 17
laquelle reflête une partie du faisceau de lumière fourni par le monochromateur vers une photodiode au silicium 18 pour générer un signal de référence et laquelle transmet le reste du faisceau fournit par le monochromateur à travers des lentilles
19, 21 (chacune avec une distance focale de 13 mm, et un diamètre de 8 mm); d'une cuvette 22 contenant un échantillon d'une lentille 23 et d'un des filtres d'ordre 24 vers une photodiode au silicium 25 qui fournit un signal électrique correspondant à l'intensité du faisceau transmis à travers l'échantillon.
L'arrangement optique de la figure 1 comporte en outré un déflecteur 15 de lumière diffractée d'ordre zéro, un masque 27 réduisant la lumière parasite et un dispositif 26 permettant la sélection et l'affichage de la longueur d'onde choisie pour la mesure.
La lampe à éclairs 1 1 est une lampe au xénon avec laquelle on produit des impulsions lumineuses avec une durée d'environ 10 llsec., ce qui est nettement inférieur au temps de passage ( < 150 llsec.) d'un échantillon dans l'axe du faisceau lumineux dans le cas d'un analyseur rotatif rapide (par exemple avec un rotor comportant 30 échantillons et tournant à 1000 tours par minute).
La lampe à éclairs 11 est du type bulbe et d'une puissance de 7 W. Si l'énergie libérée par éclair dans la lampe est de 0,3 joules pour une durée de 10 microsecondes, la puissance moyenne émise durant ces 10 microsecondes correspond à celle d'une lampe Xe continu de 30 kw. On comprend aisément le gain en niveau de lumière et, par conséquent, en rapport signal sur bruit que produit l'utilisation d'une lampe pulsée. Les avantages de l'utilisation de la lampe à éclairs 11 se résument aux points suivants:
- une source unique pour tout le spectre,
- puissance dissipée extrêmement faible,
- faibles dimensions de l'ensemble lampe et alimentation,
- spectre relativement uniforme,
- longue durée de vie,
- niveau de lumière monochromatique très élevé.
L'utilisation d'une source de lumière pulsée du type décharge gazeuse se heurte cependant à des difficultés liées au fait que le chemin de l'arc varie aléatoirement d'un éclair à l'autre. Il s'en suit une variation de l'énergie lumineuse émise et de sa distribution spatiale. Ces variations doivent être réduites ou compensées pour permettre des mesures reproductibles dans le cas d'un spectrophotomètre.
Les variations de l'énergie lumineuse sont compensées par le fait que l'on travaille avec un double faisceau, c'est-à-dire avec un faisceau traversant l'échantillon et un faisceau de référence, de sorte que ces variations n'affectent pas de façon sensible les résultats des mesures.
Afin d'obtenir une stabilisation de la position spatiale des éclairs, il est convenable d'utiliser une lampe à éclairs du type bulbe où la distance entre l'anode 31 et la cathode 32 est de l'ordre de 1,5 mm et où une électrode d'amorçage 33 est disposée très près de la cathode (voir fig. 2), par exemple à une distance de 0,2 à 0,5 mm. Cette lampe peut aussi comprendre seulement l'anode et la cathode de forme conique, avec une
distance entre les électrodes au plus égale à 1 mm (voir fi
gure 7).
Afin de minimiser les fluctuations de la distribution spatiale
de l'intensité des éclairs, il est aussi convenable de disposer la
lampe 1 1 de façon à ce que la longueur des arcs produits le long
de l'axe des électrodes soit parallèle à la largeur de fente
d'entrée 93 (voir figure 6).
Ces deux dernières mesures contribuent à minimiser les
variations de la longueur d'onde du faisceau délivré par le
monochromateur dues aux fluctuations de la position de l'arc
d'un éclair au suivant.
Comme mentionné ci-dessus, le dispositif stabilisateur du faisceau dans l'arrangement optique de la figure 1 comporte une lentille 13 (condenseur), laquelle forme l'image de l'éclair produit par la lampe 1 1 sur l'entrée du tube 14. Comme montré par la figure 3, les rayons lumineux 41 sont réfléchis par les parois internes du tube 14, ce qui donne une distribution spatiale pratiquement constante de l'intensité du faisceau 42 à la sortie du tube 14. De préférence, le dispositif stabilisateur est disposé de façon à éviter que des rayons lumineux issus des parties proches de la cathode et de l'anode entrent dans le tube 14, car la position spatiale des rayons lumineux issus desdites parties est particulièrement instable, c'est-à-dire qu'elle varie sensiblement d'un éclair au suivant.
La sortie du tube 14 est placée au niveau de la fente d'entrée du monochromateur.
Le tube 14 du dispositif stabilisateur du faisceau peut aussi être réalisé avec des moyens différents, par exemple en utilisant un cylindre de quartz 14' où les rayons lumineux sont mélangés par réflexion totale sur les parois de ce cylindre (voir figure 8) ou encore par un faisceau de fibres optiques entremêlées.
La fonction du dispositif stabilisateur du faisceau dans le spectrophotomètre selon l'invention est facile à comprendre si l'on considère les difficultés qu'on a avec un montage qui ne comporte pas un tel dispositif, c'est-à-dire un montage dans lequel l'image de l'éclair fourni par la lampe est formé directement sur la fente d'entrée (par exemple 93 dans la figure 6) du monochromateur à réseau. Dans ce montage, une variation de la position de l'arc associé à l'éclair entraîne une variation de la distribution d'intensité sur la fente d'entrée.
Si l'on considère les variations de cette distribution dans le plan de diffraction (plan passant par les centres des fentes d'entrée et de sortie et du réseau), l'angle moyen des rayons issus de cette fente et tombant sur le réseau fluctue avec les variations de la distribution d'énergie lumineuse sur cette fente. Comme la longueur d'onde du faisceau lumineux tombant sur la fente de sortie dépend de l'angle d'incidence des rayons, il s'en suit une variation de la longueur d'onde moyenne sélectionnée. Ceci se traduit par une mauvaise reproductibilité lorsque l'absorption de l'échantillon ou la sensibilité des détecteurs varie avec la longueur d'onde.
Par ailleurs, dans le plan perpendiculaire, au plan de diffraction, les variations de la position de l'arc d'un éclair au suivant entraînent également une variation de la position moyenne de l'angle du faisceau lumineux, ce qui, au niveau de la lame séparatrice 17, change l'angle d'incidence. Les lois de la réflection oblique de Fresnel montrent que le coefficient de réflection dépend de l'angle d'incidence et de la polarisation de la lumière.
Une variation de l'angle d'incidence provoque une variation du coefficient de réflection affectant ainsi la reproductibilité des mesures. Pour illustrer ces variations, considérons que la position moyenne de la distribution de lumière est déplacée de 0,1 mm sur la fente d'entrée, ce qui correspond à une variation angulaire de 5,9 10-2 degré pour un angle d'incidence moyen de 45 degrés dans un monochromateur de 100 mm de focale.
Cette variation angulaire provoque une variation du rapport de la lumière réfléchie par la lame à la lumière transmise de l'ordre de 2 .
Par ailleurs, la transmission dans tous les milieux interceptés par les faisceaux de lumière soit par le faisceau de mesure, soit par le faisceau de référence, peut présenter des irrégularités spatiales, par exemple des traces dues à des poussières ou autres souillures; dans un tel cas, la reproductibilité est aussi affectée par des variations de la distribution spatiale de l'intensité du faisceau d'un éclair au suivant. Les variations de sensibilité spatiale des détecteurs provoquent également un effet similaire.
La fonction du dispositif stabilisateur décrit ci-haut est donc de contribuer à minimiser l'effet négatif des déplacements de l'arc d'un éclair au suivant sur la reproductibilité des mesures effectuées avec le spectrophotomètre.
Le monochromateur utilisé comporte un réseau concave holographique 16 optimisé pour 290 nm où il est parfaitement stigmatique. A l'intérieur de celui-ci, on a disposé des caches comme le cache 15 (voir figures 1 et 6) permettant de réduire la lumière parasite due aux réflexions et diffusions sur les parois du monochromateur. L'inclinaison de ces caches est choisie de façon que la lumière non absorbée par les parois du monochromateur soit réfléchie dans des directions telles que cette lumière ne puisse plus tomber sur la fente de sortie. Ce montage diffère donc des montages conventionnels, où les parois du monochromateur sont perpendiculaires au plan de diffraction, de ce fait la lumière non absorbée est réfléchie dans des directions où elle peut revenir sur le réseau et passer ensuite par la fente de sortie.
Ceci est plus particulièrement le cas pour l'ordre de diffraction zéro dans des montages de faible encombrement. Sans les caches mentionnés ci-dessus, la lumière parasite due à l'ordre de diffraction zéro, serait aussi importante que la lumière parasite propre du réseau dans le montage réalisé.
La lame séparatrice 17 montrée dans la figure 1 est une lame à quartz de faible épaisseur, par exemple d'environ 0,2 mm.
Cette lame divise le faisceau fourni par le monochromateur, en un premier faisceau qui traverse la lame 17 et l'échantillon 22 à analyser et un deuxième faisceau réfléchi par la lame lequel arrive sur la photodiode 18 laquelle délivre un signal de référence correspondant à l'intensité du deuxième faisceau. Cette division physique du faisceau fourni par le monochromateur permet de compenser les fluctuations de l'énergie émise par éclair. Ces fluctuations n'ont pas d'influence sur les résultats de la mesure spectrophotométrique, car ceux-ci sont calculés à partir du rapport d'énergie entre le faisceau qui émerge de l'échantillon et le faisceau qui arrive sur la photodiode 18.
Comme mentionné ci-dessus dans la description du fonctionnement du dispositif stabilisateur du faisceau au niveau de la fente d'entrée du monochromateur, les variations de la position de l'arc (d'un éclair au suivant) entrainent une variation de l'angle d'incidence sur la lame séparatrice 17 et par là une variation du coefficient de réflection de cette lame. La variation du coefficient de réflection affecte à son tour la reproductibilité des mesures. Afin de minimiser les variations du coefficient de reflection de la lame séparatrice 17, il est convenable de placer cette lame normalement au plan de diffraction et avec un angle d'incidence aussi faible que possible, car les variations du coefficient de réflection de la lame sont minimes pour des angles d'incidence faibles.
Afin de placer la lame séparatrice sous un faible angle d'incidence, compris, par exemple, entre 14" et 200 tout en conservant un montage optique simple, cette lame est placée à l'intérieur du monochromateur dans le trajet du faisceau lumineux convergent allant du réseau holographique 16 à la fente de sortie du monochromateur (voir 94 dans la figure 6). Ceci permet d'obtenir un faisceau de référence convergent qui arrive sur une fente réciproque de la fente de sortie puis directement sur la photodiode de référence 18.
L'arrangement optique formé par les lentilles 19 et 21 forme l'image du réseau du monochromateur sur la fenêtre d'entrée de l'échantillon et l'image de la fente de sortie du monochromateur sur la fenêtre de sortie de l'échantillon. Cette configuration permet l'utilisation optimale du flux lumineux.
Les filtres d'ordre 24 disposés après l'échantillon sont des filtres passe-bande en verre coloré servant à éliminer la lumière due à la fluorescence de certains échantillons, la lumière résultant des ordres de diffraction plus élevés et à réduire la lumière parasite.
Le flux lumineux traversant l'échantillon est finalement focalisé sur la photodiode 25, laquelle délivre un signal correspondant à l'intensité dudit flux lumineux.
Le photocourant délivré par chaque photodiode est intégré pour chaque impulsion lumineuse et les signaux résultants sont traités après conversion analogique-digitale par un microprocesseur.
La solution décrite est particulièrement adaptée pour des analyseurs rotatifs, elle présente une structure optique simple comportant peu de composants. Du fait de la très courte durée de l'éclair (10 microsecondes), les effets de bord (passage de lumière par les parois de la cuvette) sont évités lors du déplacement de l'échantillon.
Le schéma de principe de la figure 5 illustre l'utilisation du spectrophotomètre 61 selon l'invention (voir figure 1) dans un analyseur rotatif comportant un rotor 62 dans lequel sont placés les échantillons 22, montrés dans la figure 1. La flèche 74 indique la rotation du rotor 62 pendant les mesures spectrophotométriques. Une source d'alimentation programmable 64 alimente la lampe à éclairs 1 1 du spectrophotomètre 61. Le contrôle de l'ensemble et le calcul des résultats est effectué par un microprocesseur 66. Les mesures à effectuer sont commandées par ce dernier lorsque l'échantillon sélectionné se trouve exactement dans l'axe du faisceau lumineux. Cette position est détectée à l'aide d'un capteur de position 65 détectant des repères sur le rotor.
Un intégrateur 67 intègre le signal correspondant au faisceau de lumière reçu par la photodiode 25 dans la figure 1, c'est-à-dire au faisceau transmis à travers l'échantillon 22. Un intégrateur 68 intègre le signal correspondant au faisceau de lumière reçu par la photodiode 18 dans la figure 1, c'est-à-dire au faisceau de référence. Un amplificateur 69 à gain auto-ajustable amplifie le signal de sortie de l'intégrateur 67.
L'amplificateur 69 est relié au microprocesseur 66. Un circuit multiplexeur 71 conduit alternativement les sorties de l'intégrateur 68 (signal de référence) et de l'amplificateur 69 (signal de mesure) à un convertisseur analogique/digitale 72 lequel convertit les signaux analogiques appliqués à son entrée et les fournit sous forme digitale au microprocesseur 66. Au moyen de
l'amplificateur 69, le canal du signal mesuré dispose d'une
adaptation automatique du gain en fonction de l'atténuation du signal de façon à utiliser la plage du convertisseur 72 présentant la meilleure résolution.
Par ailleurs, le niveau du signal incident
ou du signal transmis est ajusté pour l'utilisation optimum du convertisseur, en fonction de la longueur d'onde, en variant la
tension d'alimentation du circuit d'alimentation 64 de la lampe
éclair; cet ajustement est également contrôlé par le micropro
cesseur. Enfin, le microprocesseur procède à tous les calculs désirés, par exemple les calculs servant à déterminer la transmis
sion, l'absorbance, la moyenne sur plusieurs points de mesure, la concentration, et fournit les signaux correspondants au résultats
des mesures à un dispositif d'affichage et/ou enregistrement 73.
L'exécution du spectrophotomètre selon l'invention décrite
ci-dessus est particulièrement adaptée pour des analyseurs rotatifs; elle peut être modifiée comme montré schématiquement
dans la figure 4 pour obtenir un spectrophotomètre à double faisceau d'usage plus général et présentant des avantages par
rapport aux dispositifs connus. Les spectrophotomètres à double faisceau permettent de compenser les fluctuations d'intensité de
la source lumineuse et également les dérives indésirables des caractéristiques photométriques de l'échantillon, par exemple
les variations d'absorbance au cours du temps du réactif dans
certaines analyses de chimie clinique. Pour ceci, les mesures sont
effectuées par rapport à un échantillon de référence qui pré
sente la même dérive que l'échantillon à mesurer.
Parmi les spectrophotomètres à double faisceau, peu d'équipements comprennent deux faisceaux physiquement distincts fournissant simultanément un signal de référence et un signal de mesure car ces équipements sont relativement onéreux en raison de la complexité de l'optique et du double système de photodétectison. Plus couramment on trouve divers dispositifs où les mesures de l'échantillon de référence et de l'échantillon à mesurer sont effectuées successivement, ceci en utilisant un dispositif de commutation mécanique, soit du faisceau lumineux d'un échantillon à l'autre, soit des échantillons devant un même faisceau.
Ce type de solution comprend le plus souvent un seul système de détection et ne permet pas de compenser les fluctuations d'intensité de la source entre deux mesures successives.
L'utilisation d'une lampe à éclairs nécessite un système avec deux photodétecteurs, mais, par contre, elle permet l'utilisation de photodiodes silicium à bas prix de revient, avec des performances photométriques satisfaisantes du point de vue rapport signal sur bruit. Le spectrophotomètre selon l'invention dans le cas des analyseurs rotatifs effectue une compensation des dérives photométriques indésirables par commutation des échantillons de référence et de mesures, la commutation s'effectuant du fait que lorsque le rotor tourne le spectrophotomètre produit des signaux représentatifs de l'absorption aussi bien à travers des échantillons à mesurer qu'à travers d'au moins un échantillon de référence intercalé parmi les échantillons à mesurer disposés sur le rotor.
La modification représentée à lafigure 4 montre un spectrophotomètre à double faisceau sans éléments mécaniques en mouvement. La division du faisceau filtré en deux faisceaux de mesure est effectuée statiquement. Un échantillon peut être disposé dans chacun des deux faisceaux. Dans ce cas, on cherche à obtenir des faisceaux d'intensité sensiblement identiques. Pour ceci, on dépose sur la lame de quartz 51 un réseau de Ronchi présentant un pas de l'ordre de 0,3 à 1 mm. Ce réseau est caractérisé par une alternance régulière de bandes réfléchissantes et transparentes.
Comme précédemment, le fais- ceau traversant cette lame passe par une fente de sortie puis par l'intermédiaire d'une lentille 53, forme un faisceau de lumière traversant l'échantillon de référence 54, le filtre passe-bande (lequel n'est pas montré dans la figure 4) et tombe sur la photodiode 25. Le faisceau réfléchi par la lame après déviation sur un miroir 52 de renvoi arrive sur une fente de sortie puis par l'intermédiaire d'une lentille 55 continue son chemin vers la photodiode 18. Sur la trajectoire de ce faisceau réfléchi, on peut interposer les échantillons à mesurer 56.
L'appareil selon l'invention est un spectrophotomètre à double faisceau, d'usage général, sans éléments mécaniques en mouvement, et présentant les avantages résultant de l'utilisation d'une lampe à éclairs, lequel, par définition, sert à effectuer des mesures de transmission ou d'absorbance dans un domaine spectral donné d'échantillons les plus divers, par exemple pour les mesures usuelles avec cuvette statique des solutions utilisées pour des analyses de chimie clinique.
Ces mesures optiques peuvent porter sur la mesure de l'absorbance à quelques longueurs d'onde prédéterminées ou encore sur l'enregistrement des caractéristiques de transmission de l'échantillon sur une plage spectrale continue. Dans ce dernier cas, la valeur du rapport des signaux récoltés en l'absence d'échantillon est préalablement mémorisée dans une mémoire du microprocesseur. Ceci permet de soustraire avec précision le niveau de base, et d'augmenter ainsi la précision des mesures, le déplacement du réseau pour la sélection des longueurs d'onde est alors commandé par un moteur.
Parmi les avantages déjà mentionnés dans l'introduction de cette description il est important de noter que, comme montré par la figure 6, le spectrophotomètre selon l'invention présente une structure très compacte et un faible encombrement. En plus des éléments qui ont déjà été définis ci-dessus avec référence à la figure 1, la figure 6 montre un boitier 91 contenant un préamplificateur du signal correspondant à l'intensité du flux lumineux transmis à travers l'échantillon, un sélecteur 92 des filtres d'ordre 24 (voir figure 1), une plaquette 93 contenant la fente d'entrée du monochromateur, une plaquette 94 contenant la fente de sortie de celui-ci, une vis de réglage 95 servant à ajuster la position du boitier 91, un axe 96 pour la sélection des longueurs d'onde par un moteur et une connection 97 au réseau d'alimentation,
dans le cas où la source d'alimentation 64 est alimentée par le réseau.
** ATTENTION ** start of the DESC field may contain end of CLMS **.
CLAIMS
1. Spectrophotometer characterized in that it comprises:
a) a flashlight,
b) an optical stabilizing device used to render cons
aunt the spatial distribution of the light beam derived from
each flash produced in the flash lamp,
c) a network monochromator dispersing deli light
vrée by the homogenizing element and delivering a beam of
filtered light,
d) an optical division element of said filtered beam for
produce two beams, the first of which crosses a sample
to analyze and the second arrives on a detector which delivers
a reference signal corresponding to the intensity of the second
beam,
e) a second detector placed to receive the beam
emerging from said sample.
2. Spectrophotometer according to claim 1, characterized
in that the flash lamp has a ignition electrode
being much closer to the cathode than to the anode
to stabilize the position of the arc.
3. Spetrophotometer according to claim 1, characterized in
that the stabilizer includes a tube having
internal reflective walls which are used to produce
multiple reflections of the light beam derived from each
lightning bolt.
4. Spectrophotometer according to claim 1, characterized
in that the monochromator comprises a concave network
holographic.
5. Spectrophotometer according to claim 1, characterized
in that the element of optical division of the filtered beam is a
quartz blade placed in such a way that the angle of incidence of the
filtered beam is between 14 and 20 degrees.
6. Spectrophotometer according to claim 1, characterized
in that the element of optical division of the filtered beam is a
quartz blade with alternating transparent bands
annuities and reflective.
7. Spectrophotometer according to claim 1, characterized
in that a reference or measurement sample is interposable on each of the two filtered beams coming from the element of
division.
8. Spectrophotometer according to claim 4, characterized
in that the monochromator has covers used to prevent the arrival of stray light due to the order of zero diffraction on the output slot of the monochromator.
9. Spectrophotometer according to claim 1, characterized in that the homogenizing device comprises a solid quartz cylinder used to produce multiple reflections of the light beam derived from each flash.
10. Use of the spectrohotometer according to claim 1 in an analyzer for carrying out analyzes in the field of clinical chemistry.
The present invention relates more particularly to a spectrophotometer which can be used for the optical analysis of samples in a rotary analyzer.
Double beam spectrophotometers are known, in which the double beam is obtained by physical separation of a beam supplied by a monochromator (H. Moenke and L.
Moenke-Blankenburg, Optische Bestimmungsverfahren und Geräte für Mineralogen und Chemiker, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & PortigK.-G., Leipzig 1965, pages 185-307). The purpose of this separation into two beams is to compensate for variations in the intensity of the light source of the spectrophotometer. One of the beams serves as an intensity reference and the other crosses the sample to be measured.
Different solutions are used to realize the main functions of spectrophotometers. The light source consists of one or two continuous emission lamps of the types: halogen, deuterium, mercury arc and / or xenon. For the monochromator, there are either prism or network dispersion devices. Finally, for detectors, photomultipliers or phototubes are generally used and in certain more recent developments, silicon photodiodes.
The many types of components available and the different possible structures give many possibilities of combination capable of producing a spectrophotometer.
The disadvantages of known spectrophotometers have their
origin mainly in the light source and mono
chromator used.
The most common light source for applications
in the visible spectrum is certainly the tungsten lamp
halogen. However, its drawbacks are well known:
- very low emission in the ultraviolet,
- very large variation in light intensity in the
useful spectrum; The light intensity at 290 nm is around 900
times weaker than 700 nm,
- high stray light rate hence the need for uti
read expensive blocking filters,
- the compensation system for the intensity variation
bright with the wavelength must have a large dyna
mique,
- relatively short lifespan,
- poor light output: 8 Im / W,
- significant dissipated power, and
- relatively heavy power supply to the lamp and
cumbersome.
To overcome the difficulties encountered in the ultraviolet with
this type of lamp, some spectrophotometers use a second light source, generally a deuterium lamp
rium. However, this solution has the additional disadvantages of a high cost and a large size.
As another source of light, lamps with different types of electric discharge are used, for example xenon, mercury, argon lamps. Xenon lamps have the most uniform spectrum for the spectral range of the application and moreover their luminous efficiency is much higher than tungsten, for example 21 Im / W with a 150 W lamp. These lamps are generally offered for powers higher than 100 W and their use poses serious cooling problems. The power supply and the mounting of this type of lamp are very bulky and expensive.
The grating monochromator is the solution of choice for a continuous variation of the wavelength. However, the stray light rate resulting from the combination of lamp and monochromator must be very low, practically less than 1 10-4. If one wishes to carry out measurements with good linearity up to an attenuation of 1000 times ( which corresponds to an absorbance = 3). For these performances, dual network monochromators are used because monochromators with a network have a too high stray light rate. These dual network monochromators are however expensive, cumbersome and their alignment is relatively time-consuming.
At the base of the invention is the problem of producing a spectrophotometer for a clinical chemistry analyzer comprising a rotor rotating at around 1000 rpm. and on which are arranged samples of small volume. Such a spectrophotometer must have the following characteristics, which no known spectrophotometer simultaneously meets today:
- measurement of the absorbance of liquid samples deposited in rotating cuvettes at around 1000 rpm.,
- short measurement time of the 30 samples contained on the rotor, i.e. less than 350 milliseconds,
- time interval available for a measurement of less than 50 microseconds,
- low volume of liquid sample: 200 microliters,
- continuous selection of wavelengths between 290 and 700 nm,
- bandwidth: 8 nm,
- large absorbance range measurable from 0.0 to 3.0.
This characteristic is particularly important in automatic instruments to cover the significant differences in absorbance encountered between normal and pathological cases of the biological materials examined. Or for example between a lipemic serum and a normal serum.
- reproducibility of the measurements compatible with the requirements of the enzymatic reactions (standard deviation 0 <5 10-4 absorbance unit). This is understood in the sense of the reproducibility of the absorbance measurements carried out on the same sample. This point is particularly important in the case of kinetic methods. In these methods the variation in absorbance is small over time, so good reproducibility makes it possible to reduce the duration of the measurements. In addition in these methods, the level of absorbance is sometimes quite high (1.7-2.2). Also the reproducibility must be excellent over a wide absorbance range.
- Excellent linearity between absorbance and concentration over a wide absorbance range. This linearity simplifies the use of the instrument by eliminating the use of a calibration curve. At high absorbance and especially in the ultraviolet, linearity is difficult to obtain. This
depends on the purity of the monochromatic light that we
can be characterized by a stray light rate defined by the
ratio of the intensity of residual light emitted outside the selected spectral band to the intensity of light at
the inside of this band.
- small footprint. This quality is desired for a
instrument which is most often used in small laboratories
very crowded roofs.
- reduced maintenance.
- low cost price.
For reasons of space and cost price of the spectrophotometer to be produced, it is moreover desirable to use as detectors silicon photodiodes in association with
low noise amplifiers.
Obtaining the photometric performance indicated above with such short measurement times creates particular technical difficulties relating on the one hand to the signal-to-noise ratio to be achieved and on the other hand to obtaining a light beam having the purity spectral necessary. In addition, the
shape of cuvettes used to hold samples
imposes the need to use a small beam of light
section over a relatively large length, thus opening it
digital ture of the optics is limited and therefore the angle
solid light source collection is also limited.
Since we want to make reproducible measurements with
a maximum attenuation of the signal of 1000 times through
the sample, so it is necessary that the signal to
noise at least 2,105 at zero absorbance. Measurement
during a very short time interval (<50 microseconds)
requires a high bandwidth amplifier, which makes
difficult to achieve the desired signal-to-noise ratio because, as we
you know, the noise increases with the bandwidth of
the amplifier. The influence of this noise is important compared to
influence of noise present in spectrophotometers
usual, in which we can reduce the influence of noise on
measurement results by integrating the measurement signal on a
or several seconds.
The problem of getting a report
sufficient signal to noise is made even more difficult by fail
that we are looking to use silicon photodiodes whose noise
at low signal level is higher than that of photomultipliers. This is more particularly for wavelengths below 400 nm for high absorption measurements (A = 3), due to the lower sensitivity of these photodetectors in this part of the spectrum.
To achieve the photometric characteristics indicated above, the light beam supplied by the monochromator must have a high spectral purity, in order to avoid the well-known problems of non-linearities introduced by stray light and of bandwidth effects. Obtaining a beam of light having the spectral purity necessary to satisfy the required photometric requirements presents certain difficulties when we seek at the same time to minimize the cost and the bulk of the spectrophotometer. To achieve these goals, we seek to reduce the level of stray light to a value of the order of 1 10 -4 at a wavelength of 290 nm with a monochromator with a network of short focal distance (about 100 mm). (this with an emission spectral range limited by a filter between 270 and 380 nm).
The spectrophotometer according to the invention is characterized in that it comprises:
a) a flashlight,
b) an optical stabilizing device used to make the spatial distribution of the light beam derived from each flash produced in the flash lamp constant,
c) a network monochromator dispersing the light delivered by the homogenizing element and delivering a filtered light beam,
d) an optical division element of said filtered beam to produce two beams, the first of which crosses a sample to be analyzed and the second arrives at a detector which delivers a reference signal corresponding to the intensity of the second beam, and
e) a second detector placed to receive the beam emerging from said sample.
The spectrophotometer according to the invention achieves the desired performance indicated above and also has the following advantages:
- very low power consumed and dissipated, hence an inexpensive and not bulky power supply and the possibility of integrating the lamp into a very compact optical unit (see FIG. 6), due to the absence of thermal constraints,
- long service life of the source (more than 20,106 flashes) and detectors, resulting in good reliability and low maintenance,
- absence of a stabilization time for the emission of the lamp used as a light source.
The description below describes by way of example and with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a spectrophotometer according to the invention. In these drawings:
FIG. 1 is a schematic perspective representation of the optical arrangement of a spectrophotometer according to the invention,
FIG. 2 shows a preferred arrangement of the electrodes of the flash lamp 11 in FIG. 1,
FIG. 3 schematically shows a sectional view of part of the beam stabilizing device in the optical arrangement of FIG. 1,
FIG. 4 schematically shows a variant of the optical arrangement of FIG. 1,
FIG. 5 is a block diagram showing the use of a spectrophotometer according to the invention in a rotary analyzer,
- Figure 6 is a perspective view showing the compact structure and the small footprint
a spectrophotometer according to the invention,
- Figure 7 shows a second configuration of the electro
of the flashlight 11 in FIG. 1,
- Figure 8 shows schematically a view of a
part of a second beam stabilizer which
can also be used in the optical arrangement of figure 1.
Figure 1 shows in perspective and schematically
the optical arrangement of a spectrophotometer according to the invention
tion. This includes:
a flashlight there; an optical device composed of a
spherical mirror 12, of a lens 13 (focal distance 8 mm,
diameter 12.5 mm) and a tube 14, which device called here
stabilizing device is used to make the distribution constant
spatial and angular of the light provided by the flashlight
to a network monochromator 16;
a separating blade 17
which reflects part of the light beam supplied by the monochromator to a silicon photodiode 18 to generate a reference signal and which transmits the rest of the beam supplied by the monochromator through lenses
19, 21 (each with a focal length of 13 mm, and a diameter of 8 mm); from a cuvette 22 containing a sample of a lens 23 and from one of the filters of order 24 to a silicon photodiode 25 which supplies an electrical signal corresponding to the intensity of the beam transmitted through the sample.
The optical arrangement of FIG. 1 also includes a deflector 15 of zero order diffracted light, a mask 27 reducing stray light and a device 26 allowing the selection and display of the wavelength chosen for the measurement. .
The flash lamp 1 1 is a xenon lamp with which light pulses are produced with a duration of approximately 10 llsec., Which is significantly less than the time of passage (<150 llsec.) Of a sample in the axis of the light beam in the case of a rapid rotary analyzer (for example with a rotor comprising 30 samples and rotating at 1000 revolutions per minute).
The flash lamp 11 is of the bulb type and has a power of 7 W. If the energy released by lightning in the lamp is 0.3 joules for a duration of 10 microseconds, the average power emitted during these 10 microseconds corresponds to that of a 30 kw continuous Xe lamp. It is easy to understand the gain in light level and, consequently, in signal-to-noise ratio produced by the use of a pulsed lamp. The advantages of using the flashlight 11 are summarized in the following points:
- a single source for the whole spectrum,
- extremely low dissipated power,
- small dimensions of the lamp and power supply assembly,
- relatively uniform spectrum,
- long life expectancy,
- very high monochromatic light level.
The use of a pulsed light source of the gas discharge type however encounters difficulties linked to the fact that the path of the arc varies randomly from one lightning to another. It follows a variation of the light energy emitted and its spatial distribution. These variations must be reduced or compensated to allow reproducible measurements in the case of a spectrophotometer.
The variations in light energy are compensated for by the fact that one works with a double beam, that is to say with a beam passing through the sample and a reference beam, so that these variations do not affect not significantly the results of the measurements.
In order to obtain a stabilization of the spatial position of the lightnings, it is suitable to use a bulb type lightning lamp where the distance between the anode 31 and the cathode 32 is of the order of 1.5 mm and where a priming electrode 33 is placed very close to the cathode (see fig. 2), for example at a distance of 0.2 to 0.5 mm. This lamp can also include only the anode and the cathode of conical shape, with a
distance between the electrodes at most equal to 1 mm (see fi
gure 7).
In order to minimize fluctuations in the spatial distribution
of the intensity of the lightning, it is also suitable to arrange the
lamp 1 1 so that the length of the arcs produced along
the axis of the electrodes is parallel to the slit width
input 93 (see Figure 6).
These last two measures help to minimize
variations in the wavelength of the beam delivered by the
monochromator due to fluctuations in the position of the arc
from one flash to the next.
As mentioned above, the beam stabilizing device in the optical arrangement of FIG. 1 comprises a lens 13 (condenser), which forms the image of the lightning produced by the lamp 11 on the inlet of the tube 14 As shown in FIG. 3, the light rays 41 are reflected by the internal walls of the tube 14, which gives a practically constant spatial distribution of the intensity of the beam 42 at the exit of the tube 14. Preferably, the stabilizing device is arranged so as to prevent light rays coming from the parts close to the cathode and the anode from entering the tube 14, because the spatial position of the light rays coming from said parts is particularly unstable, that is to say that 'it varies significantly from one flash to the next.
The outlet of the tube 14 is placed at the level of the inlet slot of the monochromator.
The tube 14 of the beam stabilizing device can also be produced with different means, for example using a quartz cylinder 14 'where the light rays are mixed by total reflection on the walls of this cylinder (see Figure 8) or by a bundle of intertwined optical fibers.
The function of the beam stabilizing device in the spectrophotometer according to the invention is easy to understand if we consider the difficulties that we have with an assembly which does not include such a device, that is to say an assembly in which the image of the lightning supplied by the lamp is formed directly on the entry slit (for example 93 in FIG. 6) of the grating monochromator. In this arrangement, a variation in the position of the arc associated with the lightning causes a variation in the intensity distribution on the entry slit.
If we consider the variations of this distribution in the diffraction plane (plane passing through the centers of the entry and exit slots and of the network), the average angle of the rays coming from this slot and falling on the network fluctuates with variations in the distribution of light energy on this slit. As the wavelength of the light beam falling on the exit slit depends on the angle of incidence of the rays, there follows a variation of the selected average wavelength. This results in poor reproducibility when the absorption of the sample or the sensitivity of the detectors varies with the wavelength.
Furthermore, in the plane perpendicular to the diffraction plane, the variations in the position of the arc from one flash to the next also cause a variation in the average position of the angle of the light beam, which, at the level of the separating blade 17 changes the angle of incidence. The laws of Fresnel oblique reflection show that the reflection coefficient depends on the angle of incidence and the polarization of the light.
A variation in the angle of incidence causes a variation in the reflection coefficient, thus affecting the reproducibility of the measurements. To illustrate these variations, consider that the average position of the light distribution is moved by 0.1 mm on the entry slit, which corresponds to an angular variation of 5.9 10-2 degrees for an angle of incidence. 45 degrees in a monochromator with 100 mm focal length.
This angular variation causes a variation in the ratio of the light reflected by the plate to the transmitted light of the order of 2.
Furthermore, the transmission in all the environments intercepted by the light beams either by the measurement beam or by the reference beam, can present spatial irregularities, for example traces due to dust or other stains; in such a case, the reproducibility is also affected by variations in the spatial distribution of the intensity of the beam from one flash to the next. Variations in the spatial sensitivity of the detectors also have a similar effect.
The function of the stabilizing device described above is therefore to help minimize the negative effect of displacements of the arc from one flash to the next on the reproducibility of the measurements made with the spectrophotometer.
The monochromator used comprises a concave holographic network 16 optimized for 290 nm where it is perfectly stigmatic. Inside it, there were placed covers like the cover 15 (see FIGS. 1 and 6) making it possible to reduce the stray light due to reflections and diffusions on the walls of the monochromator. The inclination of these covers is chosen so that the light not absorbed by the walls of the monochromator is reflected in directions such that this light can no longer fall on the exit slot. This arrangement therefore differs from conventional arrangements, where the walls of the monochromator are perpendicular to the diffraction plane, therefore the non-absorbed light is reflected in directions where it can return to the network and then pass through the exit slit.
This is more particularly the case for the order of zero diffraction in compact assemblies. Without the covers mentioned above, the stray light due to the order of zero diffraction, would be as important as the own stray light of the network in the assembly produced.
The separating blade 17 shown in FIG. 1 is a thin quartz blade, for example around 0.2 mm.
This plate divides the beam supplied by the monochromator, into a first beam which crosses the plate 17 and the sample 22 to be analyzed and a second beam reflected by the plate which arrives on the photodiode 18 which delivers a reference signal corresponding to the intensity of the second beam. This physical division of the beam supplied by the monochromator makes it possible to compensate for the fluctuations in the energy emitted by lightning. These fluctuations have no influence on the results of the spectrophotometric measurement, since these are calculated from the energy ratio between the beam which emerges from the sample and the beam which arrives on the photodiode 18.
As mentioned above in the description of the operation of the beam stabilizing device at the entrance slit of the monochromator, variations in the position of the arc (from one flash to the next) cause a variation in the angle of incidence on the separating plate 17 and thereby a variation in the reflection coefficient of this plate. The variation of the reflection coefficient in turn affects the reproducibility of the measurements. In order to minimize the variations in the reflection coefficient of the separating plate 17, it is advisable to place this plate normally at the diffraction plane and with an angle of incidence as small as possible, because the variations in the reflection coefficient of the plate are minimal for small angles of incidence.
In order to place the separating plate at a small angle of incidence, for example between 14 "and 200 while retaining a simple optical assembly, this plate is placed inside the monochromator in the path of the converging light beam going from the holographic network 16 to the output slot of the monochromator (see 94 in FIG. 6). This makes it possible to obtain a convergent reference beam which arrives on a reciprocal slot of the output slot and then directly on the reference photodiode 18.
The optical arrangement formed by the lenses 19 and 21 forms the image of the monochromator network on the sample entry window and the image of the monochromator exit slot on the sample exit window. This configuration allows optimal use of the luminous flux.
The 24-order filters placed after the sample are colored glass bandpass filters used to eliminate the light due to the fluorescence of certain samples, the light resulting from higher diffraction orders and to reduce stray light.
The light flux passing through the sample is finally focused on the photodiode 25, which delivers a signal corresponding to the intensity of said light flux.
The photocurrent delivered by each photodiode is integrated for each light pulse and the resulting signals are processed after analog-digital conversion by a microprocessor.
The solution described is particularly suitable for rotary analyzers, it has a simple optical structure comprising few components. Due to the very short duration of the flash (10 microseconds), edge effects (passage of light through the walls of the cuvette) are avoided when moving the sample.
The block diagram of FIG. 5 illustrates the use of the spectrophotometer 61 according to the invention (see FIG. 1) in a rotary analyzer comprising a rotor 62 in which the samples 22 are placed, shown in FIG. 1. The arrow 74 indicates the rotation of the rotor 62 during spectrophotometric measurements. A programmable power source 64 supplies the flash lamp 1 1 of the spectrophotometer 61. The control of the assembly and the calculation of the results is carried out by a microprocessor 66. The measurements to be carried out are controlled by the latter when the selected sample is exactly in the axis of the light beam. This position is detected using a position sensor 65 detecting marks on the rotor.
An integrator 67 integrates the signal corresponding to the light beam received by the photodiode 25 in FIG. 1, that is to say to the beam transmitted through the sample 22. An integrator 68 integrates the signal corresponding to the received light beam by the photodiode 18 in FIG. 1, that is to say to the reference beam. An amplifier 69 with self-adjusting gain amplifies the output signal from the integrator 67.
The amplifier 69 is connected to the microprocessor 66. A multiplexer circuit 71 alternately leads the outputs of the integrator 68 (reference signal) and of the amplifier 69 (measurement signal) to an analog / digital converter 72 which converts the signals analog applied to its input and provides them in digital form to the microprocessor 66. By means of
amplifier 69, the channel of the measured signal has a
automatic adjustment of the gain as a function of the attenuation of the signal so as to use the range of the converter 72 having the best resolution.
Furthermore, the level of the incident signal
or the transmitted signal is adjusted for the optimum use of the converter, depending on the wavelength, by varying the
supply voltage of lamp supply circuit 64
lightning; this adjustment is also controlled by the micropro
stopper. Finally, the microprocessor performs all the desired calculations, for example the calculations used to determine the transmitted
sion, absorbance, average over several measuring points, concentration, and provides the signals corresponding to the results
measurements to a display and / or recording device 73.
The execution of the spectrophotometer according to the invention described
above is particularly suitable for rotary analyzers; it can be modified as shown schematically
in Figure 4 to obtain a more general purpose dual beam spectrophotometer with advantages by
compared to known devices. Dual beam spectrophotometers compensate for fluctuations in intensity of
the light source and also the undesirable drifts of the photometric characteristics of the sample, for example
the variations in absorbance over time of the reagent in
certain clinical chemistry analyzes. For this, the measures are
compared to a reference sample which pre
feels the same drift as the sample to be measured.
Among the double beam spectrophotometers, few devices comprise two physically separate beams providing simultaneously a reference signal and a measurement signal because these devices are relatively expensive due to the complexity of the optics and the double photodetecting system. More commonly, there are various devices where the measurements of the reference sample and of the sample to be measured are carried out successively, this using a mechanical switching device, either of the light beam from one sample to another, or of samples in front of the same beam.
This type of solution usually includes a single detection system and does not compensate for fluctuations in the intensity of the source between two successive measurements.
The use of a flash lamp requires a system with two photodetectors, but, on the other hand, it allows the use of silicon photodiodes at low cost, with satisfactory photometric performance from the point of view signal to noise ratio. The spectrophotometer according to the invention in the case of rotary analyzers performs compensation for unwanted photometric drifts by switching reference and measurement samples, the switching being effected by the fact that when the rotor turns the spectrophotometer produces signals representative of the absorption both through samples to be measured and through at least one reference sample interposed among the samples to be measured arranged on the rotor.
The modification shown in Figure 4 shows a double beam spectrophotometer without moving mechanical elements. The division of the filtered beam into two measurement beams is carried out statically. A sample can be placed in each of the two bundles. In this case, it is sought to obtain beams of substantially identical intensity. For this, a Ronchi grating having a pitch of the order of 0.3 to 1 mm is deposited on the quartz plate 51. This network is characterized by a regular alternation of reflective and transparent bands.
As before, the beam passing through this plate passes through an exit slit and then via a lens 53, forms a beam of light passing through the reference sample 54, the bandpass filter (which is not not shown in figure 4) and falls on the photodiode 25. The beam reflected by the blade after deflection on a deflection mirror 52 arrives on an exit slot then via a lens 55 continues its path towards the photodiode 18. On the path of this reflected beam, the samples to be measured can be interposed 56.
The apparatus according to the invention is a dual-beam spectrophotometer, of general use, without moving mechanical elements, and having the advantages resulting from the use of a flashlight, which, by definition, is used to perform measurements of transmission or absorbance in a given spectral range of the most diverse samples, for example for the usual measurements with static cuvette of the solutions used for analyzes of clinical chemistry.
These optical measurements can relate to the measurement of the absorbance at a few predetermined wavelengths or even to the recording of the transmission characteristics of the sample over a continuous spectral range. In the latter case, the value of the ratio of the signals collected in the absence of a sample is previously stored in a memory of the microprocessor. This makes it possible to precisely subtract the basic level, and thus to increase the accuracy of the measurements, the displacement of the network for the selection of wavelengths is then controlled by a motor.
Among the advantages already mentioned in the introduction to this description, it is important to note that, as shown in FIG. 6, the spectrophotometer according to the invention has a very compact structure and a small footprint. In addition to the elements which have already been defined above with reference to FIG. 1, FIG. 6 shows a box 91 containing a signal preamplifier corresponding to the intensity of the light flux transmitted through the sample, a selector 92 for filters of order 24 (see FIG. 1), a plate 93 containing the input slot of the monochromator, a plate 94 containing the output slot of the latter, an adjustment screw 95 used to adjust the position of the housing 91, an axis 96 for the selection of wavelengths by a motor and a connection 97 to the supply network,
in the case where the power source 64 is supplied by the network.