DE19704731B4

DE19704731B4 - Meßgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen

Info

Publication number: DE19704731B4
Application number: DE19704731A
Authority: DE
Inventors: Jörg Eppler; Hermann Leistner
Original assignee: Stratec Biomedical Systems AG
Current assignee: Stratec Biomedical Systems AG
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: US6018387A; DE19704731A1

Abstract

Messgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen, insbesondere Chemilumineszenz- und/oder Fluoreszenzmessungen an Flüssigproben, mit einem an einer Eintrittsfläche (36) mit aus einer nach oben weisenden Messöffnung eines Probengefäßes (22) austretendem Messlicht beaufschlagbaren, insbesondere als Photomultiplier ausgebildeten Lichtdetektor (12), wobei das Messlicht über einen die Messöffnung (26) unter Freihaltung eines Zwischenraums (42) überdeckenden Reflektor (16) in die Eintrittsfläche (36) umlenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) an oder in einem einstückigen Tragkörper (14) fixiert ist, welcher an einer Bohrung (34) auf das eintrittsseitige Ende des Photomultipliers (12) aufsetzbar ist und zugleich Fremdlicht abschirmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen, insbesondere Chemilumineszenz- und/oder Fluoreszenzmessungen an Flüssigproben, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Messgeräte dieser Art finden vor allem in der chemischen, klinischen und umwelttechnischen Analytik bei Untersuchungen Verwendung, bei denen hohe Sensitivität und Selektivität für die nachzuweisenden Substanzen erforderlich ist. Das Nachweisprinzip beruht auf der Detektion eines Lichtsignals, welches von einem durch chemische Reaktion oder durch eingestrahltes Anregungslicht zur Chemilumineszenz- bzw. Fluoreszenzemission stimulierten Analyten ausgestrahlt wird. Dabei ist es bekannt, aus einem Probengefäß austretendes Messlicht über eine Blende mit einem Photomultiplier zu erfassen, dessen stirnseitiges Eintrittsfenster konzentrisch mit der Probengefäßöffnung im vertikalen Abstand zu dieser angeordnet ist. Als nachteilig wird hierbei angesehen, dass durch den vertikal nach oben ragenden langgestreckten Photomultiplier die Bauhöhe des Messgeräts erheblich vergrößert wird. Hinzu kommt, dass die Halterung des Detektors bei vertikaler Anordnung erschwert wird.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bei einem ähnlichen Messgerät bekannt, das Messlicht an der Messöffnung in ein Lichtleitkabel einzukoppeln, das an seiner Austrittsseite mit dem Photomultiplier verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich zwar Einschränkungen in der Anordnung des Photomultipliers umgehen, jedoch treten durch die Verwendung einer Faseroptik neben einer Verschlechterung der Abbildungsqualität beträchtliche Verluste in der Lichtausbeute auf. Außerdem behindert das Lichtleitkabel den ggf. erforderlichen Eingriff von zusätzlichen Bauelementen im Bereich der Messöffnung.

Aus der AT 68 882 B ist eine Einrichtung zur Lumineszenzmessung bekannt, bei welcher ein Prisma vorgesehen ist, welches in Verbindung mit einer Linse die Lumineszenzstrahlung in eine Photomultiplierröhre umlenkt.

Die US-PS 4,501,970 beschreibt ein Fluorometer mit einem aufwändigen optischen System in einem umschließenden Kasten mit Innengehäuse, wobei durch die Abbildungsoptik nur ein Teil der Probengefäßöffnung auf den Photomultiplier abgebildet wird.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei flachem Geräteaufbau eine hohe Nachweisempfindlichkeit erreichbar und eine flexible Messführung möglich ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß soll zumindest das Zentralbündel des nach oben aus dem Probengefäß austretenden Lichts durch Reflexion in den Eintrittsquerschnitt des Lichtdetektors umgelenkt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Reflektor an oder in einem einstückigen Tragkörper fixiert ist, welcher an einer Bohrung auf das eintrittsseitige Ende des Photomultipliers auf setzbar ist und zugleich Fremdlicht abschirmt. Bei erreichbarem hohem Reflexionsgrad lässt sich so der überwiegende Anteil des Messlichts erfassen, ohne dass Nachteile bei der Anordnung des Detektors in Kauf genommen werden müssten. Auch lässt sich aufgrund der divergenten Lichtausbreitung in dem Zwischenraum zwischen der Messöffnung und der die Messöffnung überspannenden Reflektorfläche auf einfache Weise eine homogene Abbildung der Lichtaustrittsfläche des Probengefäßes auf die im Allgemeinen größere Lichteintrittsfläche des Detektors erreichen. Zudem können in den Zwischenraum eingreifende, für eine flexible Messführung benötigte weitere Bauelemente, insbesondere zur Injektion von Reagenzien oder Einstrahlung von Anregungslicht, in günstiger Weise angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Eintrittsfläche des Lichtdetektors oberhalb des Probengefäßes senkrecht zu dessen Messöffnung angeordnet. Damit lässt sich bei Verwendung eines Photomultipliers als Lichtdetektor dessen langgestreckte Röhre horizontal liegend anordnen, so dass das Gerät insgesamt niedrig gebaut werden kann. Auch eine geneigte Anordnung der Eintrittsfläche des Photomultipliers bezüglich der Messöffnung bietet noch einen Vorteil in dieser Hinsicht.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der Reflektor bei geeigneter Formgebung so angeordnet ist, dass das Messlicht als Lichtbündel umgelenkt wird, das die Eintrittsfläche des Lichtdetektors im Wesentlichen ausleuchtet, wobei die Zentralachse des reflektierten Lichtbündels zur Verringerung von Randstrahlverlusten senkrecht auf der Eintrittsfläche steht. Der Reflektor kann dazu eine zumindest im Bereich über der Messöffnung konkav, insbesondere sphäroidisch oder parabolisch gekrümmte Reflektorfläche aufweisen, so dass auch Randstrahlen mit nur einer Reflexion in achsnahe Richtungen des Lichtdetektors umgelenkt werden.

Um eine möglichst homogene Abbildung der Lichtaustrittsfläche des Probengefäßes auf die Eintrittsfläche des Lichtdetektors zu erreichen, ist der Reflektor vorteilhafterweise spiegelsymmetrisch zu einer durch die Zentralachse des einfallenden und reflektierten Messlichts aufgespannten Mittelhochebene ausgebildet.

In baulicher Hinsicht ist es günstig, wenn der Reflektor als Tiefziehformteil ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Reflektor als Planspiegel eine ebene Reflektorfläche aufweist. Dabei ist es für die Lichtübertragung von Vorteil, wenn der Planspiegel unter einem spitzen, vorzugsweise 45° betragenden Winkel bezüglich der Messöffnung des Probengefäßes und der Eintrittsfläche des Lichtdetektors geneigt angeordnet ist.

Um einen hohen Reflexionsgrad im interessierenden, insbesondere auch blauen Spektralbereich zu erzielen, kann der Reflektor eine durch eine aus Aluminium bestehende Metallschicht gebildete Reflektorfläche aufweisen. Eine chemische Beeinträchtigung der Reflektorfläche lässt sich dadurch verringern, dass sie mit einer das Messlicht transmittierenden Schutzschicht insbesondere aus Siliziumdioxid versehen ist.

Um auch das Lichtübersprechen zwischen benachbarten Probengefäßen zu verringern, kann der Tragkörper eine die Messöffnung randseitig umschließende, konisch nach oben zu dem Reflektor hin sich erweiternde Blendenöffnung aufweisen. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Tragkörper an einer durch eine Dichtung gegen das Eindringen von Fremdlicht abgeschirmten Stufenbohrung auf das eintrittsseitige Ende des Photomultipliers aufsetzbar und fest mit diesem verbindbar ist Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Tragkörper und/oder der Reflektor mindestens einen Einführkanal zur Aufnahme eines Lichtleitkabels oder einer durch eine Kanüle oder einen Schlauch gebildeten Injektionsleitung auf. Damit ist es möglich, in der Messposition die Lichtemission der Probe auszulösen bzw. zu beeinflussen, was sich insbesondere bei zeitaufgelösten Messungen vorteilhaft auswirkt. Um dabei den Strahlengang des Messlichts von Hindernissen weitgehend freizuhalten, läuft der mindestens eine Einführkanal vorteilhafterweise in einer Querrichtung zur Mittelhochebene des Reflektors. Eine günstige Eingriffsposition lässt sich dadurch erreichen, dass die freien Enden von in den Einführkanälen geführten Lichtleitkabeln und/oder Injektionsleitungen unter einem Winkel von 20° bis 30°, vorzugsweise 25° bezüglich der Verti kalen bis in die von der Mittelhochebene des Reflektors abgewandten Randbereiche der Meßöffnung ragen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Meßgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;

2 einen an der Eintrittsseite eines Lichtdetektors des Meßgeräts nach 1 angeordneten, mit einem Planspiegel als Reflektor bestückbaren Tragkörper in einem Vertikalschnitt;

3a bis 3c eine weitere Ausführungsform eines Tragkörpers in Draufsicht, Seitenansicht und Stirnseitenansicht;

4a bis 4c einen in den Tragkörper nach 3 einsetzbaren Reflektor in einer 3 entsprechenden Darstellung; und

5 den Tragkörper nach 3 mit eingesetztem Reflektor gemäß 4 in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht.

Das in der Zeichnung dargestellte Meßgerät läßt sich sowohl für Chemilumineszenz- als auch Fluoreszenzmessungen an Flüssigproben einsetzen und besteht im we sentlichen aus einem in einem Schutzgehäuse 10 horizontal liegend angeordneten Photomultiplier 12, einem an der Eintrittsseite des Photomultipliers aufgesetzten Tragkörper 14, einem an dem Tragkörper 14 fixierbaren Reflektor 16 und einer Positioniereinrichtung 18, 20 zur Positionierung der Probengefäße 22 einer Probenplatte 24 in einer dem gerätefesten Photomultiplier 12 zugeordneten Meßposition.
Die zylindrischen Probengefäße 22 der als Mikrotestplatte ausgebildeten Probenplatte 24 sind matrixartig angeordnet und besitzen eine nach oben weisende Meßöffnung 26, über die das durch eine Lumineszenzreaktion oder eine Fluoreszenzanregung entstehende Lumineszenzlicht als zu messendes Licht (kurz: Meßlicht) nach oben austreten kann. Zur Positionierung der einzelnen Probengefäße 22 in einer Meßposition dient ein X-Y-Verschiebemechanismus 18, auf dem die Probenplatte 24 fixierbar ist, und der mittels einer Antriebseinheit 20 automatisch betätigbar ist.
Das in der Meßposition befindliche Probengefäß 22 fluchtet an seiner Meßöffnung 26 mit einer konisch nach oben sich erweiternden Blendenöffnung 28, die an einer flächig auf der Probenplatte aufliegenden Blendenplatte 32 ausgebildet ist. Die Blendenplatte 32 steht als Fortsatz an einem Verbindungsstück 30 des Tragkörpers 14 über, das an einer am rückwärtigen Stirnende erweiterten Stufenbohrung 34 auf das entsprechend zylindrisch abgestufte Eintrittsende des Photomultipliers 12 aufsetzbar ist. Die Zentralachse der Stufenbohrung 34 schneidet die ent sprechende Achse der Blendenöffnung 28 senkrecht. Damit ist auch die Eintrittsfläche des Photomultipliers 12, die durch ein vertikal sich erstreckendes kreisförmiges Eintrittsfenster 36 gebildet ist, senkrecht zu der Meßöffnung 26 des in der Meßposition befindlichen Probengefäßes 22 angeordnet.
Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform weist der einstückig aus Kunststoff ausgebildete Tragkörper 14 dreieckförmige Seitenwände 38 auf, welche sich seitlich von dem Eintrittsfenster 36 zwischen der Blendenplatte 32 und dem Verbindungsstück 30 erstrecken. Die Seitenwände 38 besitzen an einer unter einem Winkel von 45° schräg angestellten freien Seite eine Stufenkante 40 zur Aufnahme des Reflektors 16, der als rechteckiger Planspiegel ausgebildet ist. Der Tragkörper 14 und der darauf fixierte Planspiegel begrenzen somit einen zu der Meßöffnung 26 und dem Eintrittsfenster 36 hin randoffenen, im übrigen jedoch lichtdicht abgedichteten Reflektorraum 42. Das aus der Meßöffnung 26 in den Reflektorraum 42 austretende Meßlicht wird zum überwiegenden Teil an dem als Planspiegel ausgebildeten Reflektor 16 reflektiert und tritt als divergentes Lichtbündel durch das Eintrittsfenster 36 in den Photomultiplier 12 ein. Dabei wird in der gewählten Anordnung der Zentralstrahl des Meßlichts in Richtung der Längsachse des Photomultipliers 12 reflektiert.
Um in der Meßposition Reagenzien zur Auslösung der Chemilumineszenz oder Licht zur Fluoreszenzanregung der Probe in das zu messende Probengefäß 22 einbringen zu können, weist der Tragkörper 14 Einführkanäle 44 auf, welche die Seitenwände 38 schräg zur Mittelhochebene 46 des Tragkörpers 14 bzw. des Reflektors 16 durchdringen. Durch die Einführkanäle 44 hindurch ist ein Lichtleitkabel 47 und eine Injektionskanüle 48 bis an den unteren Randbereich der Blendenöffnung 28 geführt.
Die in den 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß der Reflektor 16 als räumlich gekrümmtes Formteil ausgebildet ist, und daß der Tragkörper 14 den Reflektor 16 an dessen Außenseite umschließt und dadurch vor mechanischer Beschädigung schützt. Der in 4a bis 4c in verschiedenen Ansichten gezeigte Reflektor 16 besitzt im wesentlichen die Form eines Sphäroidausschnitts. Die aufeinander senkrecht stehenden, U-förmigen Stirnflächen 49, 51 weisen ein Ringsegment 52 auf, an dessen Enden sich zwei zueinander parallele Schenkel 50 anschließen. Die räumliche Form des Reflektors 16 ergibt sich durch 90°-Drehung der beschriebenen Stirnfläche um eine durch die freien Enden der Schenkel 50 verlaufende Achse. An seiner konkav gekrümmten, die optisch wirksame Reflektorfläche 54 bildenden inneren Seite ist der Reflektor 16 durch aufgedampftes Aluminium verspiegelt und mit einer zusätzlichen Schutzschicht aus aufgesputtertem Quarz versehen.
Der in 3a bis 3c dargestellte Tragkörper ist wiederum einstückig aus Kunststoff ausgebildet und besitzt eine der Grundform nach quaderförmige Gestalt. Zur Aufnahme des Reflektors 16 ist eine tunnelförmige Ausneh mung 56 vorgesehen, die sich in Verlängerung der Stufenbohrung 34 bis zu einer Randöffnung 58 erstreckt. Der lichte Querschnitt der Ausnehmung 56 entspricht der Außenkontur der Stirnfläche 51 des Reflektors 16, so daß dieser durch die Randöffnung 58 hindurch in der in 5 gezeigten Anordnung in den Tragkörper 14 einsetzbar ist. Im Einbauzustand dichten die Stirnflächen 49, 51 nach unten zu der Blendenplatte 30 und zu der stirnseitigen Randbegrenzung der vereinfacht durch ihre Stirnöffnungen dargestellten Stufenbohrung 34 lichtdicht ab. Der Reflektor 16 und der Tragkörper 14 begrenzen so einen Reflektorraum 42, der über die Blendenöffnung 28 zu dem Probengefäß und über die Stufenbohrung 34 zu dem Eintrittsfenster 36 des Photomultipliers 12 hin geöffnet ist.
Durch die Reflektorform und -anordnung wird erreicht, daß der Zentralstrahl des aus der Meßöffnung 26 austretenden Meßlichts in Richtung der Längsachse des Photomultipliers 12 in dessen Eintrittsfenster 36 reflektiert wird. Die Randstrahlen des Meßlichts werden an der gekrümmten Reflektorfläche 54 in achsennähere Richtungen umgelenkt, so daß bei geringen Lichtverlusten das Eintrittsfenster 36 im wesentlichen vollständig und weitgehend homogen durch das reflektierte Lichtbündel ausgeleuchtet wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, Injektionskanülen und/oder Lichtleitkabel über seitlich durch den Tragkörper 14 und den Reflektor 16 hindurchgeführte, nicht gezeigte Einführkanäle in den Reflektorraum 42 einzubringen.
Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Durchführung von Chemilumineszenz- und/oder Fluoreszenzmessungen an Flüssigproben, die in Probengefäßen 22 einer Probenplatte 24 enthalten sind. Zur Erfassung des aus einem in einer Meßposition befindlichen Probengefäß 22 an einer oberen Meßöffnung 26 austretenden Meßlichts ist ein Photomultiplier 12 vorgesehen, welcher zu Erzielung eines flachen Geräteaufbaus liegend angeordnet ist. Um das Meßlicht in das Eintrittsfenster 36 des Photomultipliers 12 umzulenken, ist ein an einem Tragkörper 14 dem Photomultiplier 12 vorgeordneter Reflektor 16 vorgesehen, welcher zumindest die Meßöffnung 26 des zu messenden Probengefäßes 22 im Abstand überdeckt.

Claims

Messgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen, insbesondere Chemilumineszenz- und/oder Fluoreszenzmessungen an Flüssigproben, mit einem an einer Eintrittsfläche (36) mit aus einer nach oben weisenden Messöffnung eines Probengefäßes (22) austretendem Messlicht beaufschlagbaren, insbesondere als Photomultiplier ausgebildeten Lichtdetektor (12), wobei das Messlicht über einen die Messöffnung (26) unter Freihaltung eines Zwischenraums (42) überdeckenden Reflektor (16) in die Eintrittsfläche (36) umlenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) an oder in einem einstückigen Tragkörper (14) fixiert ist, welcher an einer Bohrung (34) auf das eintrittsseitige Ende des Photomultipliers (12) aufsetzbar ist und zugleich Fremdlicht abschirmt.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (36) des Lichtdetektors (12) oberhalb des Probengefäßes (22) senkrecht zu dessen Messöffnung (26) oder zu der Messöffnung (26) hin geneigt angeordnet ist.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) das Messlicht als vorzugsweise paralleles oder divergentes Lichtbündel in die Eintrittsfläche (36) umlenkt, so dass die Zentralachse des reflektierten Lichtbündels etwa senkrecht auf der Eintrittsfläche (36) steht.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) spiegelsymmetrisch zu einer durch die Zentralachse des einfallenden und reflektierten Messlichts aufgespannten Mittelhochebene (46) ausgebildet ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) eine zumindest im Bereich über der Messöffnung (26) konkav, insbesondere sphäroidisch oder parabolisch gekrümmte Reflektorfläche (54) aufweist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) als Tiefziehformteil ausgebildet ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) als Planspiegel eine ebene Reflektorfläche aufweist.
Messgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Planspiegel (16) unter einem spitzen, vorzugsweise 45° betragenden Winkel bezüglich der Messöffnung (26) des Probengefäßes (22) und der Eintrittsfläche (36) des Lichtdetektors (12) geneigt angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) eine durch eine vorzugsweise aus Aluminium bestehende Metallschicht gebildete Reflektorfläche (54) aufweist.
Messgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche (54) mit einer das Messlicht transmittierenden, vorzugsweise aus aufgespattertem SiO₂ bestehenden Schutzschicht versehen ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (14) eine die Messöffnung (26) randseitig umschließende, konisch nach oben zu dem Reflektor (16) hin sich erweiternde Blendenöffnung (28) aufweist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (14) an einer durch eine Dichtung gegen das Eindringen von Fremdlicht abgeschirmten Stufenbohrung auf das eintrittsseitige Ende des Photomultipliers (12) aufsetzbar und fest mit diesem verbindbar ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (14) und/oder der Reflektor (16) mindestens einen Einführkanal (44) zur Aufnahme eines Lichtleitkabels (47) oder einer durch eine Kanüle oder einen Schlauch gebildeten Injektionsleitung (48) aufweisen.
Messgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einführkanal (44) quer zur Mittelhochebene (46) des Reflektors verläuft.
Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Einführkanälen geführte Lichtleitkabel (47) und/oder Injektionsleitungen (48) unter einem Winkel von 20°–30°, vorzugsweise 25° zur Vertikalen bis in die von der Mittelhochebene (46) des Reflektors (16) abgewandten Randbereiche der Messöffnung (26) ragen.