DE19708216A1 - Photometrisches Analysegerät und -system - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein photometrisches Analysegerät und -system, insbesondere zur Analyse von Körperflüssig­ keiten wie Blut oder Urin für medizinische Zwecke.

Es geht dabei um die quantitative oder qualitative Be­ stimmung eines Bestandteils (Analyt) der Körperflüssig­ keit, wie beispielsweise Glucose oder Cholesterin im Blut beziehungsweise Harnstoff, Leukozyten, Nitrit etc. in Urin. Die Analyse basiert auf der Reaktion eines meist aus mehreren Reagenzien bestehenden Reagenzsystems mit der Probe. Diese Reaktion führt zu einer photometrisch meßbaren Änderung eines Analyseobjektes. Meist ist dies eine Änderung von dessen Farbe. Es werden jedoch auch an­ dere photometrische Meßprinzipien verwendet, beispiels­ weise solche, bei denen die photometrisch meßbare Ände­ rung in einer zu- oder abnehmenden Trübung einer Flüssig­ keit besteht (Nephelometrie, Turbidimetrie).

Man unterscheidet "Naß-Tests", bei denen das Analyseob­ jekt eine Küvette mit einer darin enthaltenen Flüssigkeit ist und "Analyseelement-Tests", bei denen das Reagenzsy­ stem in einem Analyseelement (englisch: solid state ana­ lysis element) integriert ist. In diesem Fall ist das Analyseobjekt ein Teil der Oberfläche des Analyseelemen­ tes, auf dem die photometrisch nachweisbare Veränderung stattfindet und der als Testfeld bezeichnet wird.

Analyseelemente sind in unterschiedlichen Formen, insbe­ sondere als Teststreifen, aber auch als sogenannte Ana­ lyse-Chips bekannt. Bei Teststreifen dient als Tragteil, auf dem ein Testfeld oder mehrere Testfelder befestigt sind, üblicherweise ein Streifen aus Kunststoffmaterial. Bei Analyse-Chips ist das Tragteil meist ebenfalls aus Kunststoff gefertigt und umgibt das Testfeld (oder auch mehrere Testfelder) rahmenförmig.

Durch die Verwendung von Analyseelementen wird die Ana­ lyse wesentlich vereinfacht, so daß sie in vielen Fällen sogar von einem Patienten selbst durchgeführt werden kann ("home-monitoring"). Analyseelement-Tests haben deshalb weite Verbreitung gefunden. Meist werden die Analyseele­ mente und ein zur Auswertung der photometrisch meßbaren Veränderungen auf dem Testfeld des Analyseelementes ge­ eignetes Auswertegerät als aufeinander abgestimmte Teile eines Systems entwickelt und von dem gleichen Hersteller, der die Systemverantwortung trägt, angeboten.

An photometrische Analysegeräte und -systeme werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Einerseits müssen sie sehr genau und empfindlich sein, um die in der Regel sehr kleine mit der Konzentration des Analyten korrelierende Änderung des Analyseobjektes so genau zu messen, daß die angestrebte Genauigkeit hinsichtlich der Konzentration des Analyten erreicht wird. Der maximal zulässige Meßfeh­ ler liegt häufig unter ± 1%, in manchen Fällen bei ± 0,1%. Trotz dieser hohen meßtechnischen Anforderungen sollen die Geräte möglichst klein, leicht und kostengün­ stig herstellbar sein. Besonders wichtig ist eine leichte und fehlertolerante Bedienbarkeit photometrischer Analy­ sesysteme.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen richtet sich die vor­ liegende Erfindung gemäß einem ersten Hauptaspekt auf ein photometrisches Analysegerät gemäß Anspruch 1.

Der Begriff "Photodiode" wird hier im allgemeinen Sinn als Bezeichnung für einen Photoempfänger verwendet, bei dem die Detektion des Meßlichtes auf der Lichtempfind­ lichkeit einer Diodensperrschicht in einem Halbleiterchip basiert. Dabei führt das auf die Photodiode auftreffende Licht zu einer Trennung von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) an dem p-n-Übergang der Sperrschicht. In dem elektrischen Feld der Sperrschicht werden die Ladungsträ­ ger getrennt. Die Kathode der Photodiode lädt sich gegen­ über der Anode positiv auf. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Vorgang abläuft, ist charakteristisch für die Lichtintensität. Die resultierende Spannung ist dagegen weitgehend unabhängig von der Lichtintensität und deswe­ gen als Meßsignal für das Licht ungeeignet.

Um die Lichtstärke mittels einer Photodiode zu messen, stellt man einen stationären Zustand her, wobei die frisch erzeugten Ladungsträger durch äußere Beschaltung ständig abgeführt werden. Dabei wird die Spannung über die Diode konstant gehalten. Der Strom, der im statio­ nären Zustand (d. h. bei konstanter Spannung) fließt, ist proportional zu dem auf die Photodiode auftreffenden Licht.

Zur Lichtmessung mittels einer Photodiode ist demzufolge eine Lichtmeßschaltung erforderlich, die die an der Diodensperrschicht anliegende Spannung konstant hält und den dabei resultierenden Strom als mit der Intensität des Meßlichts korrelierendes Ausgangssignal mißt. Das Aus­ gangssignal ist in der Regel eine zu dem Lichtstrom pro­ portionale Spannung. Realisiert wird die Lichtmeßschal­ tung üblicherweise mit Hilfe eines Operationsverstärkers, wobei eine gute Linearität zwischen der gemessenen Aus­ gangsspannung und dem Lichtstrom über mindestens sechs Dekaden erzielt wird.

Bei photometrischen Analysegeräten resultiert ein beson­ deres Problem daraus, daß neben dem Meßlicht auch stören­ des Umgebungslicht, insbesondere Tageslicht oder das Licht der Raumbeleuchtung (nachfolgend insgesamt als "Fremdlicht" bezeichnet) auf die Photodiode auftrifft. Dies gilt insbesondere bei Analyseelement-Analysesystemen, bei denen eine besonders einfache Handhabung ange­ strebt wird. Diese einfache Handhabung macht es häufig erforderlich, daß das Testfeld des Analyseelementes auch dann noch von außen zugänglich ist, wenn es sich in der Meßposition in dem Gerät befindet und die photometrische Messung durchgeführt wird.

Diese Forderung hat zur Folge, daß das Fremdlicht nicht oder nur unzureichend abgeschirmt werden kann und mit ho­ her Intensität auf die Photodiode auftrifft. Die Intensi­ tät des Fremdlichtes kann dabei um mehrere Größenordnun­ gen stärker als die Intensität des Meßlichtes sein. Ein Verhältnis von 1000 : 1 ist nicht ungewöhnlich. Diese hohe Fremdlichtintensität kann leicht dazu führen, daß der Linearitätsbereich der Strommeßschaltung überschritten wird ("Overload-Modus"), so daß keine genaue Messung des Lichtstromes mehr möglich ist. Dieses Risiko kann zwar dadurch vermindert werden, daß die Empfindlichkeit der Strommeßschaltung (Verstärkungsfaktor) reduziert wird. Dies führt jedoch zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses und ist deswegen unerwünscht.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß dieses grundlegende Problem photometrischer Analysegeräte da­ durch beseitigt werden kann, daß unmittelbar an den Aus­ gang der Photodiode eine Stromquellenschaltung ange­ schlossen wird, deren Stromstärke (hinsichtlich Betrag und Polarität) so gesteuert wird, daß der auf das Fremd­ licht zurückgehende Anteil des Photostroms abgeleitet wird. Um die hierfür erforderliche Trennung des Nutz­ signals (von dem Analyseobjekt ausgehendes Meßlicht) und des Störsignals (Fremdlicht) zu ermöglichen, wird vor­ zugsweise das Meßlicht mit einer Frequenz f periodisch moduliert, wobei die zur Steuerung der Stromquellenschal­ tung dienende Steuerschaltung ein RC-Glied mit einer Zeitkonstanten aufweist, die größer als 1/f ist. Vorzugs­ weise ist die Stromquellenschaltung unmittelbar an dem Ausgang der Photodiode und vor der ersten Verstärkerstufe angeschlossen.

Die Erfindung macht es mit einfachen Mitteln möglich, ohne Dynamikprobleme (d. h. insbesondere ohne daß die Lichtmeßschaltung in einen Overload-Modus gesteuert wird) das auf die Photodiode auftreffende Meßlicht mit hohem Verstärkungsfaktor (d. h. hoher Empfindlichkeit) rauscharm und genau auch dann zu messen, wenn Fremdlicht hoher In­ tensität auf die lichtempfindliche Fläche der Photodiode auftrifft. Dadurch ist eine Konstruktion des Analysegerä­ tes möglich, bei der die sonst übliche Abschirmung der Photodiode gegen den Einfall von Fremdlicht entfallen kann. Dies wiederum ermöglicht neuartige und in der Hand­ habung sehr vorteilhafte Gestaltungen des photometrischen Analysesystems.

Gemäß einem zweiten Hauptaspekt ist Gegenstand der vor­ liegenden Erfindung auch ein Analysesystem, bestehend aus (insbesondere streifenförmig ausgebildeten) Analyseele­ menten und einem Analysegerät, dessen Lichtmeßschaltung fremdlichtunabhängig arbeitet. Besonders bevorzugt wird dabei eine Lichtmeßschaltung gemäß dem ersten Hauptaspekt eingesetzt. Das photometrische Analysesystem gemäß dem zweiten Hauptaspekt kann jedoch auch mit anderen Licht­ meßschaltungen eingesetzt werden, die fremdlichtunabhän­ gig in dem Sinn sind, daß das von der Lichtmeßschaltung erzeugte Meßsignal auch bei Gegenwart von Fremdlicht ho­ her Intensität mit ausreichender Genauigkeit mit dem von dem Testfeld des Analyseelementes ausgehenden Meßlicht korreliert.

Gegenstand des zweiten Hauptaspektes der Erfindung, der vorzugsweise in Kombination mit dem ersten Hauptaspekt realisiert wird, jedoch auch unabhängige Bedeutung hat, ist deshalb ein photometrisches Analysesystem nach An­ spruch 10.

Dadurch, daß das Analyseelement von der Klemmhalterung seitlich freiragend absteht und von beiden Seiten zugäng­ lich ist, ist eine sehr bequeme und praktische Handhabung möglich, wie sie bisher nur bei nicht-photometrischen (insbesondere elektrochemischen) Analysesystemen möglich war. Die Probe, zum Beispiel ein Blutstropfen des Patien­ ten, kann bequem auf das bereits in der Meßposition in dem Auswertegerät befindliche Analyseelement aufgetropft werden. Das Blut kommt dabei auch bei ungeschicktem Auf­ tragen nicht mit dem Gerät in Berührung. Die Hygiene wird dadurch wesentlich verbessert und die sonst gebräuchliche schwierige Reinigung der von der Analyseelement-Halterung verunreinigten Probe entfällt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfin­ dungsgemäßen Analysesystems,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der wesentlichsten Funktionselemente des Systems von 1, teilweise als Blockdiagramm,

Fig. 3 eine Schaltungsskizze zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Schaltungsskizze einer für die Erfindung geeigneten Lichtmeßschaltung,

Fig. 5 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung einer Aus­ führungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer wei­ teren Ausführungsform.

Das in Fig. 1 dargestellte Analysesystem 1 besteht im wesentlichen aus einem Analysegerät 2 und Analyseelemen­ ten, die zur Auswertung mit dem Gerät 2 vorgesehen sind. Dargestellt ist ein Meßobjekt 17 in Form eines Analyse­ elementes 3, welches sich in einer Meßposition befindet, in der eine Farbänderung auf seinem von einem Tragteil 4 getragenen Testfeld 5 photometrisch ausgewertet wird. Das im dargestellten Fall als länglicher Teststreifen ausge­ bildete Analyseelement 3 ist in einer Klemmhalterung 7 des Gerätes 2 derartig festgeklemmt, daß es von der Klemmhalterung 7 freiragend im wesentlichen horizontal absteht, wobei sowohl die Unterseite 8 als auch die Ober­ seite 9 des Testfeldes 5 frei zugänglich ist.

Bei dem dargestellten Typ des Analyseelementes 3 wird eine Probe in Form eines Blutstropfens 10 von oben auf das Testfeld 5 aufgegeben und dringt in das absorbierende Material des Testfeldes 5 ein, wobei darin enthaltene Reagenzien gelöst werden. Die Reaktion der Reagenzien mit der Probe führt zu einer Änderung der Farbe der Unter­ seite 8 des Testfeldes, die durch eine in dem Tragteil 6 vorgesehene Öffnung von unten beobachtet werden kann.

Zur photometrischen Auswertung der Farbänderung weist das Gerät 2 eine Lichtquelleneinheit 18 mit mindestens einer Lichtquelle 11 in Form einer Leuchtdiode oder Laserdiode auf, welche die Unterseite 8 des Testfeldes 5 beleuchtet. Das dabei diffus reflektierte Licht fällt auf eine Detek­ toreinheit 12, die mindestens einen Lichtempfänger 13 zur Detektion des von dem Testfeld 5 ausgehenden (diffus re­ flektierten) Meßlichts aufweist.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind sowohl die Licht­ quelle 11 als auch der Lichtempfänger 13, bezogen auf das Testfeld 5 in die gleiche Richtung, nämlich in Richtung auf die Halterung 7, versetzt angeordnet. "Versetzt" ist dabei so zu verstehen, daß sowohl die Lichtquelle 11 als auch der Lichtempfänger 13 mit Abstand von einer senk­ recht zu der Mitte des Testfeldes 5 verlaufenden Geraden N (Flächennormalen) angeordnet sind. Der Abstand beträgt vorzugsweise mindestens etwa die Hälfte der entsprechen­ den Dimension des Testfeldes (in Fig. 1 in der Bildebene), so daß das Raumvolumen unterhalb der Test­ feldöffnung 6 frei ist. Dadurch wird jedes Risiko der Verunreinigung der Detektoreinheit 12 und der Lichtquel­ leneinheit 18 vermieden. Bevorzugt ist der Abstand zwi­ schen der Lichtquelle 11 und dem Testfeld 5 (wie darge­ stellt) kleiner als der Abstand zwischen dem Lichtempfän­ ger 13 und dem Testfeld 5. Der Einstrahlungswinkel α ist größer als der Winkel β, unter dem von dem Testfeld 5 re­ flektiertes Licht von der Detektoreinheit 12 detektiert wird.

Zweckmäßigerweise ist diejenige Gehäuseseite des Analy­ segerätes 2, in der sich die Halterung 7, die Lichtquelle 11 und die Detektoranordnung 12 befinden, mit einem schwenkbar gelagerten Deckel 15 verschließbar, welcher bevorzugt - wie dargestellt - im aufgeklappten Zustand als Fuß des Gerätes 2 dient.

Mechanisch ist eine Klemmhalterung 7, in der das Trage­ teil 4 eines Analyseelementes 3 derartig festgeklemmt wird, daß das Analyseelement 3 seitlich freiragend ab­ steht, problemlos zu realisieren. Hierzu können bekannte Konstruktionselemente, wie beispielsweise elastische Fe­ dern, verwendet werden. Eine besonders feste Fixierung läßt sich erreichen, wenn man ein mechanisch oder elek­ trisch betätigtes Fixierungselement einsetzt, welches beim Einführen des zur Befestigung in der Halterung 7 vorgesehenen Teils 4a des Tragteils 4 zuschnappt und da­ bei das Teil 4a mechanisch fixiert. Es ist offensicht­ lich, daß die in Fig. 1 dargestellte freiragende Hal­ terung die Bedienbarkeit des Gerätes wesentlich er­ leichtert.

Mit einer Teststreifenhalterung, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, sind jedoch erhebliche meß­ technische Probleme verbunden. Der Abstand des Analyseob­ jektes (hier des Testfeldes 5) von der Lichtquelle 11 und dem Lichtempfänger 13 ist nur unzureichend fixiert und kann sich in starkem Umfang sowohl während der Messung als auch insbesondere bei der Auswertung von nacheinander in die Halterung 7 eingesetzten Analyseelementen ändern. Außerdem ist keine effektive Abschirmung gegen Fremdlicht möglich. Die Lichtmeßschaltung des Gerätes muß deswegen unabhängig von dem Meßabstand und unabhängig von dem Ein­ fall von Fremdlicht die erforderliche Meßgenauigkeit ge­ währleisten.

Fig. 2 zeigt die wesentlichen Elemente eines entspre­ chenden photometrischen Analysegerätes. Ein Analyseobjekt 17 (beispielsweise ein Testfeld eines Analyseelementes) wird von dem von einer Lichtquelleneinheit 18 ausgehenden Licht beleuchtet. Das von dem Analyseobjekt 17 ausgehende Meßlicht trifft auf die lichtempfindliche Fläche minde­ stens eines Lichtempfängers einer Detektoreinheit 12 auf, wobei im dargestellten bevorzugten Fall mehrere Lichtemp­ fänger 13a, 13b, 13c in unterschiedlichen Raumwinkeln um ein in einer Meßposition befindliches Testfeld 5 angeord­ net sind. Die Meßempfänger 13a, 13b, 13c sind dabei an eine gemeinsame Lichtmeßschaltung 19 angeschlossen.

Die Lichtquelleneinheit 18, die Detektoreinheit 12 und die Lichtmeßschaltung 19 bilden insgesamt eine Meßeinheit 20, die ein mit der Intensität des Meßlichts korrelieren­ des und für das Analyseergebnis charakteristisches Aus­ gangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird an eine Signalbearbeitungs- und -auswerteschaltung 21 weiterge­ leitet, die eine phasenempfindliche Signalverarbeitungs­ schaltung 22, eine Mikroprozessoreinheit 23, eine Ein/Ausgabeeinheit 24 und eine Lichtquellen-Ansteuerungs­ schaltung 25 umfaßt. Die Eingabe/Ausgabeeinheit 24 ist konventionell ausgebildet. Sie umfaßt zumindest ein Display, möglicherweise auch ein Druckwerk zur Ausgabe der Meßergebnisse sowie übliche Eingabemittel (Tasten, Schalter) zur Einstellung der erforderlichen Betriebszu­ stände. Die Mikroprozessoreinheit dient - ebenfalls in konventioneller Weise - zur Kontrolle der Gerätefunktio­ nen und zur Berechnung des gesuchten Analyseergebnisses aus den Ausgangssignalen der Lichtmeßschaltung 19 bzw. der phasenempfindlichen Verstärkerschaltung 22. Besonder­ heiten der übrigen in Fig. 2 dargestellten Komponenten werden nachfolgend anhand der Fig. 3, 4 und 5 erläu­ tert.

In Fig. 3 sind Einzelheiten einer für die Erfindung ge­ eigneten Meßeinheit 20 zu erkennen. Die Lichtempfänger 13a, b, c sind Leuchtdioden 27, die in Parallelschaltung an eine gemeinsame Lichtmeßschaltung 19 angeschlossen sind. Wie oben erläutert, ist zur Lichtmessung mittels einer Photodiode eine Lichtstrommeßschaltung erforderlich, die die an der Diodensperrschicht anliegende Spannung kon­ stant hält und ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Stromfluß in der Sperrschicht (bzw. bei mehreren Dioden, den Gesamtstromfluß der Sperrschichten) proportional ist.

Die Lichtmeßschaltung 19 ist mittels eines Operationsver­ stärkers 29 realisiert. Der Verstärkungsfaktor wird durch einen Rückkopplungswiderstand R1 festgelegt. Der Opera­ tionsverstärker 29 ist als spannungsgesteuerter Opera­ tionsverstärker geschaltet. Demzufolge wird die Ausgangs­ spannung 29a durch den Operationsverstärker stets auf einen solchen Wert gebracht, daß sein negativer und posi­ tiver Eingang das gleichen Potential zeigen. Die Schal­ tung erzeugt eine Ausgangsspannung U_A, die dem Stromfluß durch die Photodioden 27 proportional ist. Insoweit ist die Schaltung konventionell und muß daher nicht mehr er­ läutert werden. Zahlreiche Varianten sind bekannt. Bei­ spielsweise kann die Schaltung polaritätsmäßig invertiert aufgebaut werden oder das Potential am Eingang des Opera­ tionsverstärkers 29 kann (beispielsweise mittels einer Z-Diode) auf einen bestimmten gewünschten Wert (abweichend von Ground) fixiert werden.

Eine Besonderheit der dargestellten Lichtmeßschaltung 19 besteht darin, daß unmittelbar an den Ausgang der Detek­ toreinheit 12 eine Stromquellenschaltung 31 angeschlossen ist, die hinsichtlich Polarität und Stromstärke so ge­ steuert wird, daß sie genau den Anteil der von der Detek­ toreinheit 12 erzeugten Ladungsträger abführt, der dem störenden Fremdlicht entspricht. Zur Steuerung der Strom­ quellenschaltung 31 ist eine Steuereinheit 32 vorgesehen, die ein Steuersignal für die Stromquellenschaltung 31 er­ zeugt, das ein Maß für die jeweilige Intensität des Fremdlichtes ist.

Dieser Grundgedanke kann in verschiedener Weise reali­ siert werden. Eine einfache und praktisch bewährte Aus­ führungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei wird davon ausgegangen, daß das auf die Leuchtdiode 27 auftreffende Meßlicht mit einer Frequenz f periodisch moduliert ist. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende pe­ riodische Modulation des von der Lichtquelleneinheit 18 eingestrahlten Licht realisiert werden. Eine weniger be­ vorzugte Alternative besteht darin, das Licht, welches zu der Detektoreinheit 12 gelangt, beispielsweise mit Hilfe eines drehenden Flügelrades, zu "choppen". Die Modulati­ onsfrequenz sollte bevorzugt mindestens etwa 100 Hz be­ tragen.

Die Stromquellenschaltung 31 ist in Fig. 4 als über U_A gesteuerte träge Stromquelle aufgebaut. Zu diesem Zweck wird das am Ausgang 29a des Operationsverstärkers 29 an­ liegende Ausgangssignal U_A über einen Widerstand 33 an einen Eingang (in diesem Fall den nichtinvertierenden Eingang) eines zweiten Operationsverstärkers 34 gelegt. Das Ausgangssignal der Photodiode 27 wird über einen Wi­ derstand R2 an den mittleren Anschluß einer am Ausgang 34a des Operationsverstärkers 34 angeschlossenen, aus einem Widerstand R3 und einem Kondensator C bestehenden RC-Reihenschaltung angeschlossen. Dieses RC-Glied be­ stimmt die Zeitkonstante der trägen Stromquellensteue­ rung. Sie muß größer als 1/f sein, so daß die Fremdlicht­ steuerung sehr viel träger als die Modulation des Meß­ lichtes ist. Der Widerstand R2 soll groß gegenüber R3 sein. In einem praktischen Beispiel haben sich folgende Zahlenwerte bewehrt: R1 = 1 MOhm, R2 = 1 MOhm, R3 = 10 kOhm, C = 100 µF. Die Schaltung wird vervollstän­ digt durch die Dioden D1 bis D3, die Überspannungen, ins­ besondere an dem Elektrolytkondensator C und an der Pho­ todiode 27 verhindern.

Das Ausgangssignal U_A der Lichtmeßschaltung wird vorzugs­ weise - wie in Fig. 2 dargestellt - an eine phasenemp­ findliche Signalverarbeitungsschaltung weitergeleitet. Derartige Schaltungen sind beispielsweise als phasenemp­ findliche Gleichrichter, phasenempfindliche Verstärker, Lock-In-Schaltungen und Synchrodyndetektoren in der Meß­ technik, insbesondere auch bei Analysegeräten, gebräuch­ lich, um Fehler (vor allem durch additive Störbeiträge wie beispielsweise Fremdlicht oder Verstärker-Offset) zu eliminieren. Sie basieren auf dem Prinzip, daß das Meß­ licht in einer periodischen Folge von Phasen unterschied­ licher Intensität auf den Lichtempfänger auftrifft und das resultierende Signal des Empfängers phasenabhängig weiterverarbeitet wird, indem es derartig angesteuert wird, daß Signalanteile während der Phase mit geringer Intensität von Signalanteilen während der Phase mit hohen Intensität subtrahiert werden. Meist ist die Lichtquelle während der Phase hoher Intensität eingeschaltet und wäh­ rend der Phase niedriger Intensität ausgeschaltet. Es ist jedoch auch möglich, mit zwei unterschiedlichen Lichtin­ tensitäten ungleich Null zu arbeiten, weshalb hier die Bezeichnungen "High-Phase" und "Low-Phase" verwendet werden. Bei der Erfindung wird durch die Kombination ei­ ner derartigen phasenempfindlichen Signalverarbeitung mit der zuvor beschriebenen Lichtmeßschaltung eine außeror­ dentlich gute Meßgenauigkeit auch bei hohen Fremdlicht­ intensitäten erreicht und dadurch eine "offene Messung" ohne Lichtabschirmung mit guter Meßqualität möglich.

Bevorzugt erfolgt bei der Erfindung die photometrische Messung polychromatisch, d. h. bei zwei oder mehr unter­ schiedlichen Lichtwellenlängen. Unterschiedliche Möglich­ keiten polychromatischer Messungen sind bekannt. Insbe­ sondere kann das Analyseobjekt mit Licht eines breiten Spektralbereiches beleuchtet werden und eine Aufteilung unterschiedlicher Wellenlängen auf der Sekundärseite zwi­ schen dem Analyseobjekt und der Detektoreinheit 12 statt­ finden, wobei die spektrale Aufteilung beispielsweise mit Hilfe von Filtern oder einem Gitter erfolgen kann.

Bevorzugt wird bei der Erfindung jedoch das Analyseobjekt 17 mit mindestens zwei Lichtquellen 11a und 11b beleuch­ tet, die unterschiedliche Lichtwellenlängen abstrahlen. Vorzugsweise ist eine der Lichtwellenlängen so gewählt, daß sich das Ausgangssignal U_A in Abhängigkeit von der Konzentration des Analyten stark ändert, während die an­ dere Lichtwellenlänge so gewählt ist, daß das Ausgangssi­ gnal U_A unabhängig von der Konzentration des Analyten weitgehend konstant bleibt. Die bei den beiden Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen resultierenden Signale werden auch als Meßsignal A und Referenzsignal B bezeich­ net. Die Abhängigkeit des Analyseergebnisses vom Abstand zwischen dem Analyseobjekt 17 und der Detektoreinheit 12 sowie zwischen dem Analyseobjekt 17 und der Lichtquellen­ einheit 18 kann bei einer solchen Ausführungsform vor­ teilhaft dadurch eliminiert werden, daß man einen Quo­ tienten zwischen dem Meßsignal A und dem Referenzsignal B bildet. Selbstverständlich ist dabei auch eine Messung mit mehr als zwei Wellenlängen möglich.

In Fig. 3 ist eine Schaltung dargestellt, die in einem solchen Fall eine besonders einfache und wirksame Reali­ sierung der phasenempfindlichen Signalverarbeitungsschal­ tung 22 ermöglicht. Dabei ist die Signalverarbeitungs­ schaltung zweikanalig zur getrennten Verarbeitung von Lichtstromsignalen ausgebildet, die zwei unterschiedli­ chen Lichtwellenlängen entsprechen. Die beiden Kanäle sind in Fig. 3 mit 22A und 22B bezeichnet. Das Analyse­ objekt 17 wird bei dieser Ausführungsform nacheinander zuerst mit Licht einer ersten Wellenlänge (beispielsweise rot) mittels der Leuchtdiode 11a angeleuchtet. Das zu diesem Zweck von der Ansteuerungsschaltung 25 erzeugte Ansteuerungssignal I_A ist in Fig. 5 dargestellt. Danach wird das Analyseobjekt 17 von der Lichtquelle 11b, welche durch das Ansteuerungssignal I_b angesteuert wird, mit ei­ ner anderen Lichtwellenlänge (beispielsweise im IR) be­ leuchtet. Danach folgt eine Phase ohne Beleuchtung, die eine gemeinsame LOW-Phase für beide Kanäle darstellt.

Die beiden Kanäle 22A, 22B der phasenempfindlichen Signalverarbeitungsschaltung 22 werden nun periodisch synchron so angesteuert, daß das Low-Signal simultan in beiden Kanälen der phasenempfindlichen Signalverarbei­ tungsschaltung sowohl von dem High-Signal der ersten Wel­ lenlänge als auch von dem High-Signal der zweiten Wellen­ länge subtrahiert wird. Zu diesem Zweck erzeugt die An­ steuerungsschaltung 25 ein Impulsmuster gemäß Fig. 5 mit Triggersignalen T_A, T_O und T_B. Diese Triggersignale werden in der dargestellten Weise den Kanälen 22A und 22B der phasenabhängigen Signalverarbeitungsschaltung 22 zuge­ führt, an deren Eingängen jeweils das Ausgangssignal U_A der Lichtmeßschaltung 19 anliegt. Die Ansteuerung der Relais RE führt zum Schließen der Schalter S im Rhythmus dieser Triggersignale (in der Praxis werden statt der Relais RE und der Schalter S schnelle Halbleiterschaltun­ gen verwendet). Dadurch wird ein in jedem der Kanäle vor­ handener, jeweils aus einem Widerstand und einem Konden­ sator bestehender Integrator auf einen Wert des Ausgangs­ signals A bzw. B aufgeladen, der der Differenz der High-Signale der jeweiligen Wellenlänge abzüglich des jeweilen Low-Signals entspricht. Die Ausgangssignale A und B der Integratoren werden anschließend von der Mikroprozes­ soreinheit 23 weiterverarbeitet, wobei bevorzugt wie be­ schrieben ein Quotient gebildet wird.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Lichtquelleneinheit 18, die sich insbesondere für Mehr­ fach-Teststreifen mit mehreren Testfeldern eignet, wie sie bei der Urinanalyse gebräuchlich sind. Dabei weist die Lichtquelleneinheit 18 ein optisches Abbildungssystem (dargestellt als einfache Linse, in der Praxis vorzugs­ weise als Objektiv realisiert) 36 auf, das zwischen der Lichtquelle 11 und den Testfeldern 5 des Analyseelementes 3 derartig angeordnet ist, daß eine in der Gegenstands­ ebene G des optischen Abbildungssystems 36 angeordnete Maske 37 auf das in der Bildebene B des optischen Abbil­ dungssystems angeordnete Testfeld 5 abgebildet wird. In der Maske 37 sind Lichtdurchtrittsöffnungen 39 vorgese­ hen, die kongruent zu dem gewünschten definierten Be­ leuchtungsbereich des jeweiligen Testfeldes 5, auf das sie abgebildet werden, geformt sind. Die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 39 sowie ihre Form und ihre Abstände entsprechen Anzahl, Form und Abstände der Testfelder 5.

Die Realisierung eines derartigen Projektionssystems ver­ ursacht keine besonderen Schwierigkeiten, so daß hier keine detailliertere Beschreibung erforderlich ist. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß die­ ses bevorzugte Beleuchtungssystem bei Urin-Teststreifen trotz des scheinbar erhöhten Aufwandes für das optische Abbildungssystem wesentliche Vorteile hat. Insbesondere ist es möglich, den Teststreifen aus relativ großer Ent­ ferner hell zu beleuchten. Dadurch können auch Teststrei­ fen, die sich im feuchten Zustand stark krümmen, weitge­ hend fehlerfrei ausgewertet werden.

Die Detektion erfolgt dabei mit Hilfe von jeweils über den Testfeldern 5 angebrachten gekrümmten Detektoreinhei­ ten 40, die jeweils einen oder mehrere Lichtempfänger be­ inhalten können. In der Mitte haben sie jeweils eine Durchtrittsöffnung für das von der Lichtquelleneinheit 18 kommende Licht. Eine polychromatische Messung kann mit­ tels eines drehbaren Filterrades 41 ermöglicht werden, welches im Lichtweg angeordnet ist und mindestens zwei unterschiedliche Farbfilter aufweist. Wechselseitige Be­ einflussungen der auf die Detektoreinheiten 40 auftref­ fenden Lichtanteile von den verschiedenen Testfeldern können dadurch vermieden, daß die Durchtrittsöffnungen 39 der Maske 37 mit unterschiedlichen Frequenzen geöffnet und geschlossen ("gechoppt") werden. Dies kann man zum Beispiel realisieren, in dem man als Maske 37 ein LCD-Element verwendet.

Claims (12)

1. Photometrisches Analysegerät zur Auswertung eines Analyseobjektes (17), wobei
die Reaktion eines Reagenzsystems mit einem Analyten zu einer für die Analyse charakteristischen photome­ trisch meßbaren Veränderung des Analyseobjektes (17) führt und
das Analysegerät (2) eine Lichtquelleneinheit (18) zur Beleuchtung des Analyseobjektes (17), eine Detek­ toreinheit (12) mit einer Photodiode (13) zur Detek­ tion des von dem Analyseobjekt (17) ausgehenden Meß­ lichtes, eine Lichtmeßschaltung (19) zur Messung ei­ nes von der Detektoreinheit (12) erzeugten, mit der Intensität des Meßlichtes korrelierenden Ausgangs­ signals (U_A) und eine Signalverarbeitungs- und Aus­ werteschaltung (21) zur Ermittlung des gesuchten Ana­ lyseergebnisses aus dem Ausgangssignal der Lichtmeß­ schaltung (19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Dynamikbereiches der Lichtmes­ sung in Gegenwart von Fremdlicht an den Ausgang der Detektionseinheit (12) eine proportional zu dem Fremdlicht gesteuerte Stromquellenschaltung (31) an­ geschlossen ist.

2. Analysegeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Meßlicht mit einer Frequenz f periodisch moduliert ist und die Steuerschaltung (32) zur Steue­ rung der Stromquellenschaltung ein RC-Glied mit einer Zeitkonstanten aufweist, die größer als 1/f ist.

3. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßlicht in einer pe­ riodischen Folge von HIGH- und LOW-Phasen auf die De­ tektionseinheit (12) auftrifft und die Signalverar­ beitungs- und Auswerteschaltung (21) eine an die Lichtmeßschaltung (19) angeschlossene phasenempfind­ liche Signalverarbeitungsschaltung (22) einschließt, die mit einem Triggersignal derart angesteuert wird, daß Signalanteile während der LOW-Phase von Signalan­ teilen während der HIGH-Phase subtrahiert werden.

4. Analysegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenempfindliche Signalverarbeitungsschal­ tung (22) zweikanalig zur getrennten Verarbeitung von Lichtstromsignalen ausgebildet ist, die zwei unter­ schiedlichen Lichtwellenlängen entsprechen, wobei beide Kanäle (22A, 22B) synchron periodisch so ange­ steuert werden, daß das Meßlicht in einer periodi­ schen Folge von HIGH-Signalen und LOW-Signalen auf die gleiche Detektionseinheit (12) auftrifft.

5. Analysegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Folge nacheinander die beiden HIGH-Signale beider Lichtwellenlängen und ein für beide Lichtwellenlängen gemeinsames LOW-Signal ent­ hält und das LOW-Signal simultan in beiden Kanälen der phasenempfindlichen Signalverarbeitungsschaltung (22) sowohl von dem HIGH-Signal der ersten Wellen­ länge als auch von dem HIGH-Signal der zweiten Wel­ lenlänge subtrahiert wird.

6. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Analyseobjekt (17) das Testfeld (5) eines Analyseelementes (3) ist.

7. Analysegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinheit (12) eine Mehrzahl von Pho­ todioden (13a, 13b, 13c) aufweist, die in unterschied­ lichen Raumwinkeln um ein in einer Meßposition be­ findliches Testfeld (5) angeordnet sind, wobei die Photodioden (13a, 13b, 13c) an eine gemeinsame Licht­ meßschaltung (19) angeschlossen sind.

8. Analysegerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelleneinheit (18) ein zwi­ schen der Lichtquelle (11) und dem Testfeld (5) ange­ ordnetes optisches Abbildungssystem (36) aufweist, durch das eine in der Gegenstandsebene (G) des opti­ schen Abbildungssystems (36) angeordnete Maske (37) mit einer zu einem definierten Beleuchtungsbereich des Testfeldes (5) kongruent geformten Lichtdurch­ trittsöffnung (39) auf das in der Bildebene (B) des optischen Abbildungssystems (36) angeordnete Testfeld (5) derartig abgebildet wird, daß der definierte Be­ leuchtungsbereich auf dem Testfeld (5) beleuchtet wird.

9. Analysegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Analyseelement mehrere Testfelder (5) auf­ weist und in der Gegenstandsebene (G) eine Maske (37) mit einer entsprechende Mehrzahl von kongruent zu den Testfeldern geformten und angeordneten Lichtdurch­ trittsöffnungen (39) vorgesehen ist.

10. Photometrisches Analysesystem mit
einem insbesondere streifenförmigen Analyseelement (3), welches ein Testfeld (5) und ein Tragteil (4) an dem das Testfeld (5) befestigt ist, aufweist, wobei das Analyseelement (3) ein Reagenzsystem enthält,
dessen Reaktion mit einem Analyten zu einer für die Analyse charakteristischen photometrisch meßbaren Veränderung des Testfeldes (5) führt, und
einem Auswertegerät (2), welches eine Lichtquellen­ einheit (18) zur Beleuchtung des Testfeldes (5), eine Detektoreinheit (12) mit einem Lichtempfänger (13) zur Detektion des von dem Testfeld (5) ausgehenden Meßlichtes und eine Lichtmeßschaltung (19) zur Mes­ sung eines von der Detektoreinheit (12) erzeugten, mit der Intensität des Meßlichtes korellierenden Aus­ gangssignals (U_A), und einer Signalverarbeitung- und Auswerteschaltung (21) zur Ermittlung des gesuchten Analyseergebnisses aus dem Ausgangssignal der Licht­ meßschaltung (19),
insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
es zur Positionierung des Analyseelementes (3) in ei­ ner Meßposition eine Klemmhalterung (7) aufweist, in der das Tragteil (4) des Analyseelementes (3) derar­ tig festgeklemmt wird, daß es von der Klemmhalterung (7) seitlich freiragend absteht, wobei sowohl die Oberseite (9) als auch die Unterseite (8) des Test­ feldes zugänglich ist.

11. Analysegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß sowohl die Lichtquelleneinheit (18) als auch die Detektoreinheit (12), bezogen auf das Testfeld (5), in Richtung auf die Halterung (7) versetzt ange­ ordnet sind.

12. Analysegerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einstrahlungswinkel (α), unter dem die Lichtquelleneinheit (18) das Testfeld (5) beleuchtet, kleiner ist als der Winkel (β), unter dem von dem Testfeld (5) reflektiertes Licht von der Detektorein­ heit (12) detektiert wird und der Abstand der Licht­ quelleneinheit (18) von dem Testfeld (5) größer ist als der Abstand der Detektoreinheit (12) von dem Testfeld (5).