DE19618601C2 - Verfahren und Anordnung zur Lichtdetektion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtdetektion nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung be­ trifft weiter eine Anordnung zur Lichtdetektion nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 17.

Verfahren und Anordnungen dieser Art finden vor allem in der chemischen Verfahrenstechnik Verwendung, insbe­ sondere zur Durchführung hochsensitiver, auf dem Prin­ zip der Chemi- bzw. Biolumineszenz beruhender Analysen, wie beispielsweise Lumineszenz-Immuno-Assays, Reporter­ gen-Assays oder DNA-Assays. Dabei ist es erforderlich, den in der Regel im Bereich von Sekunden ablaufenden Lumineszenzvorgang zeitaufgelöst zu erfassen, wobei zur Untersuchung von Proben unbekannter Konzentration ein hoher Dynamikbereich beim Nachweis der Lichtquanten ge­ fordert wird. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, daß die Proben in der Regel mit hohem Durchsatz automatisch untersucht werden, und daß sie nach dem Starten der Lu­ mineszenzreaktion nur ein einmal gemessen werden können.

Um eine hohe Nachweisempfindlichkeit zu gewährleisten, wird bei einer bekannten Anordnung der eingangs genann­ ten Art der als Lichtempfänger dienende Photovervielfa­ cher im sogenannten Einzelphotonen-Zählbetrieb einge­ setzt. In dieser Betriebsart besitzt der Photoverviel­ facher aufgrund der gewählten Hochspannung und der vie­ len Dynodenstufen eine ausreichende Verstärkung, um Strom- bzw. Spannungsimpulse zu liefern, die der Auslö­ sung eines einzelnen Photoelektrons zugeordnet werden können. Die so erzeugten Spannungsimpulse lassen sich durch einen Diskriminator vom Rauschhintergrund unter­ scheiden. Je nach Quantenausbeute der Photokathode kön­ nen somit einzelne einfallende Photonen erfaßt werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß bei höheren Lichtin­ tensitäten die Bandbreite der bekannten Impulsverstär­ ker nicht ausreicht, um Einzelereignisse ohne Totzeit­ verluste zeitlich aufzulösen. Bei höheren Photonenraten machen sich zudem sogenannte Pile-up-Effekte, die durch Überlagerung von Impulsen zustande kommen, störend be­ merkbar.

Weiterhin ist es beim Betrieb von Photovervielfachern an sich bekannt, die Ausgangssignale im sogenannten Strommodus (current mode) analog zu verstärken, wobei durch geeignete Einstellung der Betriebsspannung die Nachweisempfindlichkeit zwar verringert wird, jedoch höhere Lichtintensitäten meßbar sind. Nachteilig bei dieser Betriebsart ist neben der verringerten Sensiti­ vität vor allem die geringe Langzeitstabilität, die im wesentlichen durch Änderungen in der Quanteneffizienz der Photokathode und durch aus Dynodenermüdung und Hys­ terese resultierenden Vervielfachungsschwankungen verur­ sacht ist.

Aus der DE 39 15 692 C2 ist ein Meßverfahren und eine Anord­ nung der eingangs genannten Art zur Erfassung von Fluores­ zenzsignalen über einen weiten Intensitätsbereich bekannt. Dort ist es vorgesehen, daß ein Photomultiplier als Detek­ toreinheit in seiner Empfindlichkeit nach Maßgabe des Detek­ torsignals steuerbar ist. Bei niedrigen Intensitäten wird der Photomultiplier als Photonenzähler geschaltet, während bei höheren Intensitäten ein Analogsignal abgegriffen und im nachgeschalteten Verstärker weitererarbeitet wird. Die Intensitätsanpassung des Photomulipliers erfolgt durch eine geeignete Steuerung der Hochspannungsversorgung, wobei jedoch eine hohe Signaldrift in Kauf genommen werden muß.

Eine ähnliche Meßanordnung ist aus der DE 39 23 847 A1 bekannt. Dort wird der Anodenstrom über einen A/D-Wandler einem Mikroprozessor zugeführt, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Anodenstroms durch Zuschalten eines Widerstands die Kathodenspannung und die Dynodenspannun­ gen um einen vorbestimmten Wert absenkt.

In der DE 25 35 103 A1 wird für eine Sekundärelektronen­ vervielfacher-Schaltung zur Impulsverarbeitung über einen großen dynamischen Bereich vorgeschlagen, den Dynoden und der Anode jeweils einen Meßkanal nachzuschalten und die Meßkanäle über eine Torschaltung intensitätsabhängig auf­ zuschalten.

Weiter ist es bekannt (Flach et al., Physical Review B, 15, 1977, S. 1248-1260), das Ausgangssignal eines Photomulti­ pliers über einen Schalter entweder einem Strom-Spannungs- Wandler oder - zur Erfassung niedriger Intensitäten - einer Verstärker-Diskriminator-Impulsformerkombination zuzuführen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß Lichtmes­ sungen in einem großen Dynamikbereich mit hoher Genauig­ keit möglich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merk­ male der unabhängigen Ansprüche 1 und 17 gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprü­ chen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, den Photover­ vielfacher zweikanalig zu beschalten, wobei ein Kanal als Photonenzähler im Impulsbetrieb arbeitet und der andere Kanal im Analogbetrieb zum Nachweis höherer Lichtströme dient. Dementsprechend wird nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, daß an dem Photo­ vervielfacher parallel zu den Signalimpulsen ein durch die Photonen ausgelöstes Stromsignal abgeleitet wird, und daß der Meßwert für das zu messende Licht in jedem der Zeitintervalle unterhalb einer festlegbaren Bereichs­ schranke aus der Impulszahl und oberhalb der Bereichs­ schranke aus dem Stromsignal bestimmt wird.

Um eine selbsttätige Bereichswahl zu ermöglichen, wird die Bereichsschranke vorteilhafterweise durch einen vor­ gegebenen oberen Grenzwert der Impulszahl festgelegt. Dabei ist es von Vorteil, wenn der obere Grenzwert aus einem Impulszahlbereich bestimmt wird, in welchem der Photovervielfacher beigegebener Betriebsspannung noch als Photonenzähler betrieben werden kann.

Zur Verarbeitung des Stromsignals ist es vorteilhaft, wenn in jedem der Zeitintervalle aus dem analog ver­ stärkten Stromsignal ein Stromintegralwert gebildet wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung wird in vorgegebenen Zeitintervallen aus der Impulszahl und dem zeitlich zugeordneten Stromintegral­ wert ein Korrekturfaktor zur Driftkompensation des Stromintegralwerts ermittelt. Damit ist es möglich, die aufgrund der Rauschsignaldiskriminierung mit hoher Genauigkeit durchführbare Impulszählung auszunutzen, um eine Langzeitdrift des analogen Stromsignals auszuglei­ chen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Kor­ rekturfaktor als Quotient aus der ermittelten Impuls­ zahl und dem zeitlich zugeordneten Stromintegralwert gebildet wird.

Vorteilhafterweise wird die Photokathode des Photover­ vielfachers in vorgegebenen Zeitabständen mit einer ge­ pulsten, vorzugsweise als Leuchtdiode ausgebildeten Ka­ librierlichtquelle zur Ermittlung des Korrekturfaktors beleuchtet. Durch die Möglichkeit zur Einstellung der Intensität der Lichtquelle läßt sich der Photoverviel­ facher in einem Arbeitspunkt betreiben, der sowohl für den Photonenzählbetrieb als auch für den Strombetrieb geeignet ist.

Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß die Funktionsbereitschaft des Photovervielfachers im Zuge der Beleuchtung mit der Kalibrierlichtquelle überwacht wird, wobei die Impulszahl mit einem erwarte­ ten Wert verglichen wird. Auf diese Weise kann zumin­ dest die prinzipielle Funktion des Photovervielfachers als Photonenzähler überprüft werden.

Als Alternative zum Einsatz einer Kalibrierlichtquelle kann der Korrekturfaktor mittels des zu messenden Lichts bestimmt werden. Dazu wird der Korrekturfaktor in solchen Zeitintervallen ermittelt, in denen die Im­ pulszahl zwischen dem oberen Grenzwert und einem unte­ ren Grenzwert liegt, wobei der Photovervielfacher bis zu dem unteren Grenzwert noch im Strombetrieb und bis zu dem oberen Grenzwert noch im Photonenzählmodus be­ trieben werden kann.

Vorteilhafterweise wird die Nullpunktdrift dadurch ab­ geglichen, daß bei in zeitlichen Abständen wiederholten Dunkelmessungen aus dem Stromintegralwert oder dem Stromsignal ein Offset-Kompensationswert bestimmt wird. Damit läßt sich der driftkompensierte Meßwert für das zu messende Licht dadurch berechnen, daß die Differenz aus dem Stromintegralwert und dem Offset-Kompensations­ wert mit dem jeweils zuletzt ermittelten Korrekturfak­ tor multipliziert wird.

Weiter ist es von Vorteil, wenn bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts des Stromsignals oder des Stromintegralwerts die Betriebsspannung des Photover­ vielfachers selbsttätig reduziert wird, um die Gefahr von Beschädigungen des Detektors zu verringern. Zweck­ mäßigerweise wird dabei ein bei reduzierter Betriebs­ spannung gewonnener Meßwert als ungültig verworfen.

In schaltungstechnischer Hinsicht ist es von Vorteil, wenn das Stromsignal über einen Widerstand von der er­ sten oder zweiten, der Photokatode des Photovervielfa­ chers nachgeordneten Dynodenstufe abgeleitet wird. Wenn die Photokatode dabei auf Massepotential liegt, kann ein Signal auf niederem Potentialniveau an den Verstär­ ker weitergeleitet werden.

Die Signalimpulse lassen sich vorteilhafterweise über einen Kondensator zum Abblocken der Hochspannung an der Anode des Photovervielfachers abgreifen.

Um eine digitale Verarbeitung zu ermöglichen, kann der Stromintegralwert durch Spannungs-Frequenz-Umsetzung des Stromsignals in eine verhältnisgleiche Impulsfrequenz und Addieren der so erhaltenen Impulse während eines jeden Zeitintervalls gebildet werden.

Weiter ist es von Vorteil, wenn die während einer Meß­ phase intervallweise gewonnenen Impulszahlen und Strom­ integralwerte fortlaufend als Wertepaare gespeichert werden, und wenn in den Meßpausen die gültigen Meßwerte für das zu messende Licht aus den Wertepaaren ermittelt werden. Damit läßt sich eine hohe Zeitauflösung errei­ chen, ohne daß die erforderlichen Rechenschritte bei der Meßwertverarbeitung die erreichbare Intervallzeit einschränken.

Bei einer Anordnung zur Lichtdetektion wird zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe vorgeschlagen, einen mit einem Stromsignal des Photovervielfachers beauf­ schlagten analogen Verstärker und ein Mittel zur Meßbe­ reichswahl vorzusehen, damit in jedem der Zeitinterval­ le unterhalb einer festlegbaren Bereichsschranke die Impulszahl und oberhalb der Bereichsschranke das analog verstärkte Stromsignal zur Bestimmung des Meßwerts für das zu messende Licht selbsttätig auswählbar ist.

Zur digitalen Verarbeitung kann das analog verstärkte Stromsignal über einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer und einen dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer nachgeschalteten Zähler in einen Stromintegralwert gewandelt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Mittel zur Bereichswahl als Mikropro­ zessor ausgebildet, welcher mit dem Wert für die Impuls­ zahl und dem Stromintegralwert beaufschlagbar ist. Damit stehen beide Werte für die weitere Verarbeitung neben­ einander zur Verfügung. Die Auswahl des jeweils gülti­ gen Meßwerts kann dadurch erfolgen, daß der Mikroprozes­ sor eine Verarbeitungseinheit aufweist, durch welche für jedes Zeitintervall nach Maßgabe eines die Bereichs­ schranke bildenden oberen Grenzwerts der Impulszahl der Stromintegralwert oder die Impulszahl ausgewählt wird.

Vorteilhafterweise werden die während einer Meßphase gewonnen Impulszahlen und Stromintegralwerte den einzel­ nen Zeitintervallen fortlaufend zugeordnet in einem Da­ tenspeicher abgelegt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer An­ ordnung zur Lichtdetektion.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Photovervielfacher 10, einem Photonenzählkanal 12 sowie einem Analogkanal 14, und einem Mikroprozessor 16.

Der Photovervielfacher 10 besitzt eine mit Masse ver­ bundene Photokathode 18, eine über einen Widerstand 20 mit einer Hochspannungsquelle 22 verbundene Anode 24 sowie eine Kaskade 26 von Dynoden, die über einen Span­ nungsteiler 28 aus seriengeschalteten Widerständen po­ sitiv vorgespannt sind. Die letzten drei Dynodenstufen vor der Anode 24, die den höchsten Strombedarf haben, sind durch Parallelschaltung von Kondensatoren 30 zu den entsprechenden Teilerwiderständen 32 zusätzlich spannungsstabilisiert.

Ein in dem Impulskanal 12 angeordneter breitbandiger Impulsverstärker 34 ist eingangsseitig über einen Kon­ densator 35 mit der Anode 24 des Photovervielfachers 10 verbunden. Am Ausgang des Verstärkers 34 ist ein Im­ pulshöhendiskriminator 36 nachgeschaltet, welcher nur solche Impulse durchläßt, die eine bestimmte, einstell­ bare Schwellenhöhe überschreiten. Das Ausgangssignal des Impulshöhendiskriminators 36 wird einem 16-Bit-Zäh­ ler 38 zugeführt, welcher über einen 8-Bit-breiten Da­ tenkanal 40 mit dem Mikroprozessor 16 verbunden ist. Der Zähler 38 kann über nicht gezeigte Steuerleitungen von dem Mikroprozessor 16 auf Null zurückgesetzt wer­ den.

Der in dem Analogkanal 14 angeordnete Analogverstärker 42 ist eingangsseitig über einen Widerstand 28' des Spannungsteilers 28 mit der ersten Dynodenstufe 26' verbunden. Zur Analog-Digital-Wandlung ist der Ausgang des Verstärkers 42 mit einem Spannungs-Frequenz-Umset­ zer 44 verbunden, dessen Ausgangssignal in einen 16-Bit- Zähler 46 eingespeist wird, welcher seinerseits über einen 8-Bit-breiten Datenkanal 48 mit dem Mikroprozes­ sor 16 verbunden ist. Der Zähler 46 kann über nicht ge­ zeigte Steuerleitungen von dem Mikroprozessor auf Null zurückgesetzt werden.

In dem Mikroprozessor 16 ist eine Auswertesoftware zur Verarbeitung der eingehenden Daten geladen. Die Daten können in einem Digitalspeicher 50 abgelegt und gegebe­ nenfalls mittels eines nicht gezeigten Sicht- oder Aus­ gabegeräts dargestellt werden. Der Mikroprozessor 16 ist ferner über eine Steuerleitung 52 mit einem LED- Treiber 54 verbunden. Durch Ansteuerung des Treibers 54 kann eine Leuchtdiode 56 mit einem gegebenenfalls sta­ bilisierten Treiberstrom durchgeschaltet werden.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Anordnung nä­ her erläutert. Durch einfallende Photonen des zu mes­ senden Lichts werden aus der Photokathode 18 Photoelek­ tronen ausgelöst. Die Photoelektronen werden an den Dynoden 28 durch Sekundärelektronenemission verviel­ facht, ohne daß das Signal-Rauschverhältnis wesentlich verschlechtert wird. Aufgrund der hohen Verstärkung, die durch die Sekundärelektronenvervielfachung erzielt wird, lassen sich an der Anode 24 einzelne Strom- bzw. Spannungsimpulse zählen, die von jeweils einem einzel­ nen Photoelektron herrühren (Photonenzählung). Die über den Kondensator 35 abgegriffenen Spannungsimpulse wer­ den durch den schnellen Verstärker 34 verstärkt und auf den Impulshöhendiskriminator abgeleitet. Dessen Durch­ laßschwelle ist so eingestellt, daß die eine geringere Amplitude besitzenden Rauschimpulse diskriminiert wer­ den. Dabei nützt man die Kenntnis aus, daß die thermisch emittierten Elektronen zunächst etwas langsamer und so­ mit auch die zugehörigen Impulse etwas kleiner sind als diejenigen der Photoelektronen. Die oberhalb der Schwel­ le liegenden Signalimpulse haben nach ihrer weiterlei­ tung unabhängig von ihrer vorherigen Gestalt gleiche Höhe und Breite. Durch das Auswählverfahren werden in dem Zähler somit nur die von Photonen ausgelösten Im­ pulse gezählt. Das Zählergebnis wird als Impulszahl in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise von 5 ms, über den Datenkanal 40 von dem Mikroprozessor 16 abge­ holt. Dabei wird der Zähler 38 wieder auf Null zurück­ gesetzt.

Bei höheren Photonenströmen treten jedoch Abweichungen vom linearen Verhalten des Photonenzählers auf. Diese sind primär durch das Totzeitverhalten des Verstärkers 34 und Überlagerungseffekte der Einzelimpulse bedingt. Um dennoch bei höheren Lichtintensitäten messen zu kön­ nen, ist der Analogkanal 14 vorgesehen.

Über den Analogkanal 14 wird der Photovervielfacher 10 im sogenannten Strombetrieb eingesetzt. Die ausgelösten Sekundärelektronen erzeugen bereits an der ersten Dyno­ denstufe 26' ein meßbares Signal, das über den Wider­ stand 28' als Eingangsstrom auf einen Analogverstärker 42 geleitet wird. Obgleich die Verstärkung an der ers­ ten Dynode 26' gering ist, ist die Ableitung des Strom­ signals an dieser Stelle vorteilhaft, weil der Verstär­ ker 42 dann gegen Masse als Bezugspotential betrieben werden kann. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, das Stromsignal an einer der höheren Dynodenstufen oder an der Anode 24 abzugreifen.

Im Analogkanal 14 werden somit keine Einzelereignisse gezählt, sondern es wird der Dynodenstrom kontinuier­ lich verstärkt. Um das erhaltene Signal zu digitalisie­ ren, wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 42 durch den Spannungs-Frequenz-Umsetzer 44 gewandelt, und die so erhaltenen Impulse werden während der vorgegebenen Zeitintervalle in dem Zähler 46 als Stromintegralwert aufaddiert. Der Zähler 46 wird über den Datenkanal 48 parallel zu dem Zähler 38 von dem Mikroprozessor 16 aus­ gelesen und anschließend zurückgesetzt.

Um im Photonenzählbetrieb eine hohe Quantenausbeute zu erzielen, wird üblicherweise die Hochspannung der Quel­ le 22 auf einen solchen Wert eingestellt, daß die Im­ pulszählrate bei gegebener Photonenrate einen Sätti­ gungswert sicher erreicht. Da jedoch mit zunehmender Hochspannung die Dunkelrate relativ zur Signalrate zu­ nimmt, muß für den Strombetrieb die Hochspannung redu­ ziert werden, weil hier eine Schwellenwertdiskriminie­ rung nicht möglich ist. Die Hochspannung wird deshalb bei der vorliegenden Anordnung so eingestellt, daß die Impulszählrate den Sättigungswert gerade noch erreicht. Damit arbeitet der Photovervielfacher 10 in einem für beide Betriebsarten noch ausreichenden Arbeitspunkt.

Aufgrund der parallelen Bereitstellung sowohl des mo­ mentanen Wertes der Impulszahl als auch des Strominte­ gralwerts ist es mittels des Mikroprozessors 16 mög­ lich, in Abhängigkeit von einer Bereichsschranke in je­ dem Zeitintervall den für die momentanen Meßbedingungen günstigsten Wert herauszugreifen. Diese Auswahl wird so getroffen, daß ein oberer Grenzwert der Impulszahl festgelegt wird, bei dem noch eine zuverlässige Einzel­ photonenzählung möglich ist. Der Meßwert für das zu messende Licht wird dann in jedem der Zeitintervalle unterhalb dieses Grenzwerts aus der Impulszahl und oberhalb davon aus dem Stromintegralwert berechnet. Um die Zeitauflösung nicht durch die Rechengeschwindigkeit des Mikroprozessors 16 zu begrenzen, werden bei Unter­ suchungen von zeitlich begrenzten Lichtereignissen die Zählerwerte der Zähler 38,46 fortlaufend in den Spei­ cher 50 eingelesen und erst in den Meßpausen zur Er­ mittlung des jeweils gültigen Meßwerts ausgewertet.

Während der Impulskanal 12 durch die Impulshöhendiskri­ minierung im wesentlichen driftfrei betrieben werden kann, treten im Analogkanal 14 Signalabweichungen auf, die vor allem durch Temperaturschwankungen und Instabi­ litäten der Vervielfacherröhre 10 und des Analogverstär­ kers 42 hervorgerufen werden. Die parallele Signalgewin­ nung bietet hier die Möglichkeit einer automatischen Driftkompensation. Hierzu wird in vorgegebenen Zeitin­ tervallen die Photokathode 18 mit der Leuchtdiode 56 bestrahlt. Dabei wird die Photonenrate durch Einstel­ lung des Treibers 54 so gewählt, daß eine Photonenzäh­ lung möglich ist, und daß zugleich das Stromsignal an der Dynode 26' eine ausreichende Signalstärke erreicht. Auf diese Weise läßt sich aus dem Meßergebnis der bei­ den Kanäle 12, 14 ein Korrekturfaktor ermitteln, welcher als Quotient aus der driftfreien Impulszahl und dem zeitlich zugeordneten Stromintegralwert gebildet wird. Grundsätzlich ist es auch denkbar, den Korrekturfaktor anhand des Meßlichts zu ermitteln. In diesem Fall werden nur solche Zeitintervalle berücksichtigt, in denen die Photonenrate in einem für beide Betriebsarten des Photo­ vervielfachers 10 günstigen Arbeitspunkt liegt. Dieser Bereich läßt sich im linearen Bereich der Impulszählra­ te durch geeignete Grenzwerte festlegen.

Um die Schwankungen des Nullpunktwerts des Kanals 14 auszugleichen, wird durch in zeitlichen Abständen wie­ derholte Dunkelmessungen aus dem Stromintegralwert ein Offset-Kompensationswert bestimmt. Für diejenigen Zeit­ intervalle, für die der Analogkanal 14 den gültigen Wert liefert, läßt sich der Meßwert für das zu messende Licht dadurch berechnen, daß die Differenz aus dem Strominte­ gralwert und dem Offset-Kompensationswert mit dem je­ weils zuletzt ermittelten Korrekturfaktor multipliziert wird.

Mit der beschriebenen Anordnung lassen sich auch zusätz­ liche Überwachungsfunktionen ausführen. Durch die Be­ leuchtung mit der Kalibrierlichtquelle (Leuchtdiode 56) kann die grundsätzliche Funktionsbereitschaft zumindest des Impulskanals 12 überprüft werden, indem die Impuls­ zahl mit einem bei der gegebenen Beleuchtung erwarteten Wert verglichen wird. Des weiteren kann anhand des Ana­ logsignals des Verstärkers 42 in einer Rückkopplungs­ schleife oder anhand des Stromintegralwerts mittels des Mikroprozessors 16 überwacht werden, ob die Bestrahlung der Photokathode 18 einen zulässigen Maximalwert über­ schreitet. In diesem Fall wird die Hochspannung zur Ver­ meidung von Beschädigungen der Vervielfacherröhre 10 selbsttätig reduziert.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Lichtdetektion, bei welchem an einem Photovervielfacher 10 über zwei Kanäle 12,14 Meßsignale im Photonenzählbe­ trieb und im Strombetrieb parallel abgegriffen werden. Die Signale werden fortlaufend abgespeichert und in einem Mikroprozessor 16 verarbeitet. Durch den Zwei­ kanalbetrieb läßt sich der Dynamikbereich des Photover­ vielfachers 10 erweitern, indem für jedes Zeitintervall der Meßwert für das zu messende Licht anhand einer fest­ legbaren Bereichsschranke aus dem als Photonenzähler arbeitenden Kanal 12 oder dem im Strommodus betriebenen Kanal 14 ausgewählt wird.

Claims (26)

1. Verfahren zur Lichtdetektion, insbesondere bei auf Lumineszenzreaktionen basierenden Analysen, bei welchem an einem Photovervielfacher (10) durch ein­ fallende Photonen des zu messenden Lichts erzeugte Signalimpulse abgegriffen werden, und bei welchem durch Addition der in einer Diskriminatorschaltung (36) einzeln erkannten Signalimpulse in aufeinan­ derfolgenden Zeitintervallen jeweils eine Impuls­ zahl ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Photovervielfacher (10) parallel zu den Signal­ impulsen ein durch die Photonen ausgelöstes Strom­ signal abgeleitet wird, und daß der Meßwert für das zu messende Licht in jedem der Zeitintervalle un­ terhalb einer festlegbaren Bereichsschranke aus der Impulszahl und oberhalb der Bereichsschranke aus dem Stromsignal bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsschranke durch einen vorgegebenen oberen Grenzwert der Impulszahl festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Grenzwert aus einem Impulszahlbereich bestimmt wird, in welchem der Photovervielfacher (10) bei gegebener Betriebsspannung noch im Photo­ nenzählbetrieb arbeitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Zeitintervalle aus dem analog verstärkten Stromsignal ein Strominte­ gralwert gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenen Zeitintervallen aus der Impulszahl und dem zeitlich zugeordneten Stromintegralwert ein Korrekturfaktor zur Driftkom­ pensation des Stromintegralwerts ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor als Quotient aus der ermit­ telten Impulszahl und dem zeitlich zugeordneten Stromintegralwert gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Photokathode (18) des Photoverviel­ fachers (10) in vorgegebenen Zeitabständen mittels einer gepulsten, vorzugsweise als Leuchtdiode (56) ausgebildeten Kalibrierlichtquelle zur Ermittlung des Korrekturfaktors beleuchtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsbereitschaft des Photovervielfa­ chers (10) im Zuge der Beleuchtung mit der Kali­ brierlichtquelle (56) überwacht wird, wobei die Im­ pulszahl mit einem erwarteten Wert verglichen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Korrekturfaktor mittels des zu messenden Lichts in solchen Zeitintervallen er­ mittelt wird, in denen die Impulszahl zwischen dem oberen Grenzwert und einem unteren, vorgegebenen Grenzwert liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch in zeitlichen Abständen wiederholte Dunkelmessungen aus dem Stromintegral­ wert oder dem Stromsignal ein Offset-Kompensations­ wert zum Nullpunktabgleich bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Meßwerts für das zu messende Licht oberhalb der Bereichsschranke die Differenz aus dem Stromintegralwert und dem Offset-Kompensa­ tionswert mit dem jeweils zuletzt ermittelten Kor­ rekturfaktor multipliziert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts des Stromsignals oder des Stromintegralwerts die Betriebsspannung des Photovervielfachers (10) selbsttätig reduziert wird, wobei gegebenenfalls ein bei reduzierter Be­ triebsspannung gewonnener Meßwert verworfen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stromsignal über ei­ nen Widerstand von der ersten oder zweiten, der Photokathode (18) des Photovervielfachers (10) nach­ geordneten Dynodenstufe (26') abgeleitet wird, wo­ bei die Photokathode (18) auf Massepotential liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalimpulse über einen Kondensator (35) an der Anode (24) des Photo­ vervielfachers (10) abgegriffen werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stromintegralwert durch Spannungs-Frequenz-Umsetzung des Stromsignals in eine verhältnisgleiche Impulsfrequenz und Addie­ ren der so erhaltenen Impulse während eines jeden Zeitintervalls gebildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die während einer Meßpha­ se in den Zeitintervallen jeweils gewonnenen Im­ pulszahlen und Stromintegralwerte fortlaufend als Wertepaare gespeichert werden, und daß in den Meß­ pausen die gültigen Meßwerte für das zu messende Licht aus den Wertepaaren ermittelt werden.

17. Anordnung zur Lichtdetektion, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 16, mit einem durch einfallende Photonen des zu messenden Lichts ausgelöste Photoelektronen als Signalimpulse verstärkenden Photovervielfacher (10), einem über einen vorzugsweise breitbandigen Impulsverstärker (34) mit den verstärkten Signalim­ pulsen beaufschlagbaren Impulshöhendiskriminator (36), und einem die von dem Impulshöhendiskrimina­ tor (36) weitergeleiteten Signalimpulse in aufein­ anderfolgenden Zeitintervallen jeweils unter Bil­ dung einer Impulszahl addierenden Zähler (38), ge­ kennzeichnet durch einen mit einem Stromsignal des Photovervielfachers (10) beaufschlagbaren, ein Ana­ logsignal liefernden Verstärker (42), und durch ein Mittel (16) zur Meßwertauswahl, durch welches für jedes Zeitintervall die Impulszahl oder das Analog­ signal zur Bestimmung des Meßwerts für das zu mes­ sende Licht selbsttätig auswählbar ist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal über einen Spannungs-Frequenz- Umsetzer (44) und einen dem Spannungs-Frequenz-Um­ setzer (44) nachgeschalteten Zähler (46) in einen digital verarbeitbaren Stromintegralwert umsetzbar ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Bereichswahl durch eine rechner­ gestützte, vorzugsweise als Mikroprozessor (16) aus­ gebildete Verarbeitungseinheit gebildet ist, welche mit dem Wert für die Impulszahl und mit dem Strom­ integralwert beaufschlagbar ist, und welche für je­ des der Zeitintervalle unterhalb einer festlegbaren Bereichsschranke die Impulszahl und oberhalb der Bereichsschranke das analog verstärkte Stromsignal auswählt.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsschranke durch einen in der Verar­ beitungseinheit (16) gespeicherten oberen Grenz­ wert der Impulszahl gebildet ist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (16) den Stromintegralwert mit einem gespeicherten Schwellenwert vergleicht und bei Überschreiten des Schwellenwerts eine die Betriebsspannung des Photo­ vervielfachers (10) reduzierende Spannungsbegren­ zungsstufe auslöst.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (16) eine vorzugsweise als Leuchtdiode (56) ausge­ bildete Kalibrierlichtquelle zur Kalibrierung des Photovervielfachers (10) zeitlich gepulst ansteuert.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß der Analogverstärker (42) über einen Widerstand (28') mit der ersten Dynoden­ stufe (26') des Photovervielfachers (10) verbunden ist, wobei die Photokathode (18) auf Massepotential liegt.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß der Impulsverstärker (34) über einen Kondensator (35) mit der Anode (24) des Photovervielfachers (10) verbunden ist.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (16) einen Datenspeicher (50) aufweist, in dem die während einer Meßphase gewonnenen Impulszahlen und Stromintegralwerte fortlaufend als Wertepaare spei­ cherbar sind.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (16) aus den während der Kalibrierung gewonnenen Werten der Impulszahl und des Stromintegralwerts einen Korrekturfaktor zur Driftkompensation des Stromintegralwerts ermittelt.