DE2049522A1

DE2049522A1 - Rotatonscher Photometer zur prak tisch simultanen Analyse von mehreren Fins sigkeitsproben

Info

Publication number: DE2049522A1
Application number: DE19702049522
Authority: DE
Inventors: John Richard Trumbull Conn Montgomery (VStA)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1969-10-09
Filing date: 1970-10-08
Publication date: 1971-04-29
Also published as: FR2065222A5; IL35418A0; GB1318984A; BE757261A; NL7014792A; CA938123A; IL35418A; CH517940A

Description

Union Carbide Corporation, New York, V.St.A.

"Rotatorischer Photometer zur praktisch simultanen Analyse von mehreren Flüssigkeitsproben"

Priorität: 9.Oktober 1969 V.St.A. Nr. 865 219

Die Erfindung bezieht sich auf einmrotatorischen Photometer zur praktisch simultanen Analyse von mehreren Flüssigkeitsproben, bei dem eine Mehrzahl von insbesondere vertikal angeordneten Aufnahmcküvetten für die Flüssigkeitsproben konzentrisch über den Umfang einer insbesondere horizontal drehbaren Scheibe verteilt ist und den Umlaufweg der Küvetten ein von einer Lichtquelle ausgehender, die jeweilige Küvette passierender und von einem Photodetektor aufgefangener Lichtstrahl angeordnet ist, der sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt aus der Küvette ein in der Scheibe vorgesehenes durchsichtiges Fenster passiert. - "

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In den letzten Jahren hat sich das Bedürfnis nach schnell arbeitenden automatischen analytischen Vorrichtungen merklich erhöht, da zahlreiche rnikroanalytische Studien bei der biochemischen Forschung, bei routinemäßigen klinischen Untersuchungen für physikalische Anstalten und Krankenhäuser, Studien der Wirkungen und Eigenschaften von Enzymen und.dergl durchgeführt werden. Abgesehen von dem erhöhten Bedarf an Analysen ist es in verschiedenen Bereichen auch oft kritisch, daß eine ganze Reihe von Reaktionen zu genau derselben Zeit starten müssen, wenn man zuverlässige Resultate erhalten will, Das trifft besonders zu auf enzymatische Studien, bei denen oft merkliche Reaktionsänderungen bereits nach nur wenigen Sekunden oder auch Minuten fortgeschritten sind. Es gibt jedoch nur wenige Vorrichtungen, die extrem schnell und trotzdem genau die anwachsende Zahl und Varietät an Untersuchungen

auszuführen gestatten, die in klinischen und Forschungsanstalten erwünscht sind.

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Kürzlich v/urd-en mit vielen Stationen versehene analytische Photometer erhältlich, die auf dem Prinzip eines Zentrifugalfeldes arbeiten und zur schnellen Mikroanalyse einer breiten Varietät von Flüssigkeiten,wie Körperflü-ssigkeiten, beispielsweise Blutserum, von Nahrurse;*"?tteln und dergl. bestimmt sind. Mit diesen Photometern können zahlreiche Analysen sehr schnell und simultan durchgeführt werden, und sie sind deshalb von besonderem Interesse dort, wo eine große Anzahl von Proben einer Vielzahl von Tests bezüglich der jeweiligen einzelner. Probe untersogen v/erden soll. Da ferner diese Vorrichtungen die_vVerwendung relativ kleiner Reagenzvolumina zulassen, d.b. Volumina im Mikroliter-Bereich, kann man auf diese Weise auch den Verbrauch an teuren Reagenzien klein halten.

Eine derartige, ein Zentrifugalfeld verwendende Vorrichtung für mikroanalytische Studien ist in einem Artikel in der Zeitschrift "Analytical Biochemistry 28, 545-562 (I969) beschrieben. Diese Vorrichtung wendet das Prinzip der Zweistrahlspektrophotometrie an, bei der die Absorptionseigenschaften einer flüssigen Probe

und einer Bezugslösung miteinander verglichen werden. Das System besteht in der Hauptsache aus einer Reihe von Küvetten, die rund um den Umfang eines Rotors so angeordnet sind, daß bei einer Rotation oder Kreiselbewegung; des Rotors die auftretende Zentrifugalkraft simultan die Reagenzien und die Proben mischt und zugleich zu den Küvetten weiter transportiert, wo die Konzentration spektro-

ψ photometrisch gemessen '.;ird. Dabei ist eine ε<·η·Ί*)β für die Probenaufnahme vorgesehen, die, eine Reihe von konzentrisch angeordneten Reihen mit Höhlungen aufweist. Die Reagenzien werden jeweils in die radial innerste Höhlung und Serumproben in die Zentralhöhlung der die Proben aufnehmenden Scheibe eingebracht; diese wird dann indiziert und so in dem Rotor angeordnet, daß jedes Reagenz und jede Serumprobe ihre jeweilige Küvette erhält. Bei Beschleunigung des Rotors bewegt die Zentrifugalkraft das Reagens und die

k Probe zur radial am äußersten liegenden Höhlung, wo sie miteinander vermischt und dann durch einen schmalen Kanal zur Messküvette transportiert werden. Die gefüllten Küvetten rotieren oder kreiseln außerordentlich schnell durch den ortsfesten Lichtstrahl, und die übertragung des Lichtes wird gemessen.

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Wie sich jedoch aus dem erwähnten Artikel ergibt, ist die Lichtquelle unterhalb des Küvettenhalters angeordnet, und das Licht wird von der Unterseite des Zentrifugenkopfes -durch die zu untersuchenden Proben in den Zentrifugenkopf geleitet und das resultierende Lichtausgangssignal wird durch eine Photomultiplierröhre gemessen, die oberhalb des Zentrifugenkopfes angeordnet ist. Die~e Anordnung führt dazu, daß durch die zu messende Probe nur ein optischer Weg verläuft und die Photozelle und ihre Montierungsmxttel sowie die optischen Einrichtungen so angeordnet werden müssen, daß sie aus dem Weg geschwenkt werden müssen, wenn in den Photometer neue Proben eingebracht oder der Zentrifugenkopf ersetzt wird (vergl.Pig.l auf Seite 5^9 des genannten Artikels). Ferner v/erden bei dieser Konstruktion Fenster hoher Qualität sowohl oberhalb als auch unterhalb der zu untersuchenden Probe benötigt, um den vollständigen Lichtdurchgang durch den Zentrifugenkopf zu gestatten. Eine weitere Beschränkung dieser Ausbildungsform liegt darin, daß die der Veröffentlichung entsprechende Probenlänge nur 1 cm beträgt, um sich an die übliche Industriepraxis anzupassen; andererseits ergeben manche Chemikalien nur eine solche kleine Änderung der Absorption, daß das nutzbare erhaltene Unterschiedssignal einer solchen nur

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1 cm langen Probe nur sehr klein ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile bzw. Beschränkungen des vorbekannten rotatorischen Photometers allein durch Änderung des optischen Systems zu beheben oder wenigstens zu lindern.

W Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei

einem Photometer der genannten Gattung vor, daß nur an einer Seite jeder Küvette ein durchsichtiges Fenster und an der gegenüberliegenden Seite ein Spiegel angeordnet ist. Diese Anordnung hat zunächst zur Folge, daß der Lichtstrahl die Probe zweimal durchläuft und so der Absorptionsweg und damit auch das gemessene Unterschiedssignal quantitativ verdoppelt werden. Ferner wird jeweils nur eines der relativ teuren Qualitätsfenster benötigt.

* Weiterhin können sowohl die Lichtquelle als auch die Photomultiplierröhre nur auf einer Seite der drehbaren Scheibe angeordnet werden, vorzugsweise unter der horizontalen Ebene, in welcher die Scheibe rotiert. Es ist auch nicht mehr nötig, den photometrischen Detektor wegzubewegen, wenn Proben und/oder Reagenzien zugefügt oder erneuert werden. Dabei wird, sowohl die Ausführung des Photomultipliers einfacher als auch seine Betriebsweise schneller und wirkungsvoller.

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Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, daß das transparente Fenster an der Bodenfläche und der Spiegel an der gegenüberliegenden oberen Fläche jeder Küvette angeordnet' wird. Der Lichtstrahl dringt dann von unten durch das Fenster in die Küvette ein, durchläuft die darin enthaltene flüssige Probe, wird an dem Spiegel reflektiert, durchläuft die Probe erneut und tritt schließlich unten wieder durch dasselbe Fenster zum Detektor aus, durch das es in die Probe eingetreten war. Bei dieser Anordnung kann man beispielsweise die rotierende Scheibe flach oder fluchtend in die Oberseite eines Tisches einbauen und das ganze optische System darunter anordnen. Dies vermeidet es, daß man oberhalb des Tisches mit dem physikalischen Mess-System in Berührung kommt und dieses gar beschädigt; außerdem kann man eine starre /Verbindung zwischen Lichtquelle und Detektor so vorsehen, daß ferner der durch Vibrationen

Signaldes Lichtweges verursachte/Untergrund weiter verringert werden kann.

Allgemein ist es möglich, die Lichtquelle unter der drehbaren Scheibe so anzuordnen, daß der emittierte Lichtstrahl direkt in den Küvettenboden emittiert wird.

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Dabei ist es vorteilhaft, die Lichtquelle so anzuordnen, daß der Lichtstrahl die Küvette an verschiedenen Punkten ihres transparenten Fensters betritt und wieder verläßt. Auf diese Weise kann man den Detektor richtig anordnen. Alternativ kann man jedoch die Lichtquelle auch so anordnen, daß der Lichtstrahl in das transparente Fenster reflektiert wird. Beispielsweise kann der Lichtstrahl rechtwinklig zur Küvette projiziert und in das transparente Fenster mittels eines Prismas oder eines unter einem Winkel von ^5° stehenden Spiegels reflektiert werden. Der austretende Strahl kann dann wieder so reflektiert werden, daß der photometrische Detektor praktisch an jeder beliebigen zweckmäßigen Stelle angeordnet werden kann.

Demnach kann in der Praxis das optische System gemäß der Erfindung mit einer weiten Vielfachheit von Lichtquellen und Detektoren Anwendung finden. Beispielsweise kann jede derzeit bei Spektrophotometern oder in dem oben genannten Artikel beschriebene Analysator gebräuchliche Lichtquelle Anwendung finden. Entsprechend kann auch der Detektor nach Bedarf aus der im Stand der Technik vorhandenen Auswahlausgewählt werden;

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Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung war ein rotatorisches photometrisches Analysiergerät, welches der in dem vorerwähnten Artikel beschriebenen Type ähnelte und einen Rotor von etwas über 15 cm Durchmesser (6 inchs Durchmesser) mit 15 Küvetten besaß, so konstruiert, daß sowohl die Lichtquelle als auch die Photomultiplierrohre unterhalb der oberen Stirnseite eines Tisches angeordnet waren, welcher den Rotor enthielt. Eine looo-Stunden-Quarz-Iodid-Lichtquelle war so angeordnet, daß der Lichtstrahl zunächst rechtwinklig zur Küvette zu einem Paar von ^5°- Winkelspiegeln verlief, die unter dem Rotor angeordnet viaren. Die Spiegel waren leicht so geneigt, daß der Strahl nach seiner Reflektion durch den ersten Spiegel und seinem Eintritt in die Küvette an einem anderen Punkt wieder aus dem Küvettenfenster heraustrat und durch den zweiten Spiegel durch einen Lichtkulminator zur Photomultiplierrohre gesandt wurde. Bei einer Vielzahl von versuchsweisen Analysen unter Verwendung dieses rotatorischen Analysiergeräts und seines optischen Systems erhielt man sovrohl eine gute Funktionsweise sowohl in dem Gerät als in den System, in dem der Lichtstrahl durch die Küvette jeweils geleitet wurde.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schenatischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines rotatorischen photometrischen Detektors gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt einer gemäß der Erfindung abgewandelten Ausführungsform.

Auf einem einen Sockel bildenden Antriebsmotor 1 ist an einer von diesem angetriebenen Antriebswelle 2 bei dem in Fig. 1 dargestellten Photometer gemäß dem Stand der Technik eine mit der Welle 2 drehfest verbundene Küvettenträgerscheibe 3 angeordnet, die in konzentrischen Kreisen Kammern ^ für Reagenzien und Proben sowie Küvetten 5 aufweist, die von der Scheibe 3 auf einem kreisförmigen Umlaufweg angetrieben werden. Bei diesem Umlaufweg passiert jede Küvette 5 einen Lichtstrahl 6, der von einer Lichtquelle 7 aus unter rechtwinkliger Umleitung mittels nicht dargestellter reflektierender Flächen vertikal unten in die Scheibe 3 bzw. deren Kopfteil eintritt, durch ein unteres und ein oberes Fenster in den Kopfteil geleitet wird,

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dazwischen durch die in der Küvette enthaltene Probeflüssigkeit gelangt und schließlich von einem Photodetektor, insbesond.ere einer Photomultiplierröhre 8, aufgefangen wird, die an eine Datenspeicher-,-verarbeitungs- und -ausdruckeinheit 9 angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Photometers unter vergrößerter Darstellung eines Ausschnittes der drehbaren Scheibe 3 und andersartiger Anordnung des optischen Systems.

Die einzelnen Bauelemente sind dabei auch insoweit mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie einander entsprechen, selbst wenn ihre bauliche Ausführung etwas anders ist. ·

Der entscheidende Unterschied gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig.l ist der, daß anstelle des vertikal durch den Kopf der Scheibe 3 hindurchtretenden Lichtstrahls 6 eine Aufteilung in einfallenden Lichtstrahl 16 und einen ausfallenden Lichtstrahl 17 erfolgt. Beide Teillichtstrahlen 16 und 17 treten durch dasselbe Fenster 18 in die Küvette ein,

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deren Oberseite von einem Spiegel 19 gebildet ist. Auch hier erfolgt die Messung in vertikaler Pachtung, wenn auch ' die Küvette sonst eine überwiegende radiale Erstreckung in· Richtung zu den Kammern ¹J hat, mit denen sie durch einen Durchlaß verbunden ist, durch den die Probenflüssigkeit und die Reagenzien unter Zentrifugalkraft bei Rotation der Scheibe 3 in.die Küvette gedrückt werden.

Wiederum wird das Licht von der Lichtquelle 7 durch einen Spiegel aus zunächst horizontaler Richtung in die zunächst annähernd vertikale Richtung des einfallenden Strahls 16 abgelenkt. Dieser Spiegel ist jedoch nur einer eines Spiegelpaares 2o, die unter einem kleinen gegenseitigen Winkel gegeneinander so angeordnet sind, daß der einfallende Strahl 16 und der ausfallende Strahl 17 das Fenster 18 an verschiedenen Punkten passieren bzw., anders ausgedrückt, unter einem kleinen Winkel gegeneinander angeordnet sind. Der ausfallende Strahl 17 wird dann durch den anderen Spiegel des Spiegelpaares 2o zu dem hier anders als in Fig. 1 unter der Rotorebene der drehbaren Scheibe angeordneten Photodetektor 8 geleitet, von wo das Signal dann in dem dem Element 9 entsprechenden photometrischen

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Analysiergerät 29 ausgewertet und gegebenenfalls nach Methoden der elektrischen Datenverarbeitung verarbeitet und gegebenenfalls bei Bedarf ausgedruckt wird.

Die weiteren Einzelheiten des Aufbaus der Scheibe 3 mit den einzelnen Kammern, ihren Abdeckteilen, Abdichtungen usw. ergibt sich aus der Zeichnung der Fig. 2 und braucht hier im Zusammenhang mit der Erfindung nicht weiter im einzelnen erläutert zu werden.

Ansprüche

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Claims

Patentansprüche

1J ■ Rotatorischer Photometer zur praktisch simultanen Analyse von mehreren Flüssigkeitsproben, bei dem eine Mehrzahl insbesondere von vertikal angeordneten Aufnähreküvetten für FlüssLgkeitsproben konzentrisch über den Umfang einer insbesondere horizontal drehbaren Scheibe »^ verteilt ist und^aen Umlauf weg "der Küvette ein von / M'&* y einer Lichtquelle ausgehender, die jeweilige Küvette passierender und von einem Photode*tektor aufgefangener Lichtstrahl angeordnet ist, der sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt aus der Küvette ein in der Scheibe vorgesehenes durchsichtiges B'enster passiert, dadurch gekennzeichnet, daß nur an einer Seite jeder Küvette (5) ein durchsichtiges Fenster (18) und an der gegenüberliegenden Seite ein Spiegel (19) angeordnet ist.
2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Spiegel (19) an der Oberseite jeder Küvette vorgesehen ist.

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3. Photometer nach Anspruch 2, dadurch g e k e η nz e i chn e t, daß die Lichtquelle (7) unter der
horizontalen Rotationsebene der Scheibe (3) angeordnet
ist.
4. Photometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der photometrische Detektor (8) unter der horizontalen Rotationsebene der Scheibe (3) angeordnet ist. ^v
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (7) so angeordnet ist, daß sie ihr Licht zunächst auf
einen Spiegel oder Prisma (2o) und dann unter einem Winkel in die Küvette (5) einleitet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle (7) rechtvjinklig
zur Küvette angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Lichtstrahl (16) und der ausfallende Lichtstrahl (17) das Fenster (18) an verschiedenen Punkten passieren.

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