DE2614609A1

DE2614609A1 - Reaktionsmessystem

Info

Publication number: DE2614609A1
Application number: DE19762614609
Authority: DE
Inventors: Gerald Lee Paulson
Original assignee: Coulter Electronics Inc
Current assignee: Coulter Electronics Inc
Priority date: 1975-04-07
Filing date: 1976-04-05
Publication date: 1976-10-21
Also published as: FR2307264B1; JPS51128594A; US3989383A; FR2307264A1

Description

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Paienianwälfe

Dip!.-Ing. E. Eder

Dipl. Ing. K. Schisschke

8 München 40, EiäabsthstraSe 34

Coulter Electronics Inc., Hialeah, Florida/USA

Reaktionsmeßsystem

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem für die photometrische Analyse der Reaktionsgeschwindigkeit bei enzymatischen Vorgängen.

Bei gewissen Lösungen ist die Ermittlung der Änderungsgeschwindigkeit oder der Reaktionsgeschwindigkeit der Lösung beim Vorhandensein bestimmter Katalysatoren von großer Bedeutung. Beispielsweise erfolgt beim Einsetzen eines Enzyms in gewisse Lösungsarten eine chemische Reaktion. Das Enzym wirkt als Katalysator, d.h. es bewirkt die Reaktion, es nimmt aber nicht selbst an der Reaktion teil. Dennoch ist die Änderungsgeschwindigkeit oder Reaktionsgeschwindigkeit der

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Lösung ein Maß für die Enzymaktivität und diese wiederum ist ein Maß für die Enzymkonzentration.

Bei bestimmten photometrischen Analysen der Enzymreaktionsgeschwindigkeit wird die Lichtabsorption einer Enzymreaktion in einer Zelle bei einer bestimmten Frequenz des Lichtes kontinuierlich überwacht und der elektrische Ausgang eines Photomultiplizierers oder Photodetektors aufgezeichnet. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann dann von einer Bedienungsperson durch Differenzierung oder von einem Computer ermittelt werden. Schaltungen zur kontinuierlichen Differenzierung elektrischer Signale sind aber sehr aufwendig.

Das elektrische Signal des Photodetektors kann bei derartigen Analysen Schwankungen und Diskontinuitäten zeigen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Messung erfolgt, bevor sich die Reaktion auf einer konstanten Reaktionsgeschwindigkeit stabilisiert hat. Außerdem kann die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig von der Art der Reaktion zunächst linear verlaufen und dann von diesem linearen Verlauf abweichen. Signale, die derartige Abweichungen zeigen, müssen identifiziert werden, damit sie sich ausschalten lassen und/oder der Test beendet und ein neuer Test vorgenommen werden kann. Diese Art der Untersuchung wird ebenso wie die Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit von einer Bedienungsperson oder einem Computer vorgenommen. Schaltungen zur Ausführung dieser Funktionen arbeiten auf kontinuierlicher Basis. Meistens verwendet man eine Differenzierschaltung, die mit der bereits erwähnten aufwendigen Differenzierschaltung übereinstimmt.

In Systemen zur Durchführung der oben erwähnten Analyse benötigt man normalerweise eine Eichung. Das geeichte System gestattet die direkte Ablesung von Maßeinheiten, beispielsweise von Absorptionseinheiten (ABS) oder internationalen Einheiten

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(i/U). Die Analyse erfordert zur Eichung ein bestimmtes Lösungsund Enzymvolumen und in der Regel auch eine bestimmte Reaktionstemperatur. Bei abweichenden Temperaturen oder Volumen muß das System vollständig neu geeicht werden.

Die Erfindung betrifft nun ein Meßsystem für die Reaktionsgeschwindigkeit einer Probe, bei dem die Reaktion durch ein sich zeitabhängig änderndes, elektrisches Eingangssignal dargestellt wird. Das erfindungsgemäße Meßsystem ist gekennzeichnet durch eine das elektrische Eingangssignal aufnehmende Eingangsschaltung, durch eine an die Eingangsschaltung angeschlossene erste Abtastschaltung, die das elektrische Eingangssignal zu bestimmten, ersten Zeitintervallen abtastet, die während der Abtastung ein dem elektrischen Eingangssignal proportionales erstes Abtastsignal liefert und die dieses bis zur nächsten Abtastung aufrechterhält,. durch eine an die erste Abtastschaltung angeschlossene zweite Abtastschaltung, die das erste Abtastsignal zu bestimmten zweiten Zeitintervallen abtastet, die während dieser Abtastung ein dem ersten Abtastsignal proportionales zweites Abtastsignal liefert und dieses bis zur nächsten Abtastung aufrechterhält, durch eine an die beiden Abtastschaltungen angeschlossene Summierschaltung, deren Ausgangssignal die Differenz zwischen erstem und zweitem Abtastsignal darstellt, und durch eine an die Summier schaltung angeschlossene VÜedergabeschaltung, deren Ausgang dem Ausgangssignal der Summierschaltung proportional ist.

Zur ausführlicheren Erläuterung der Erfindung wird auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Reaktionsmeßsystems,

6 0 9 B U /1 η Β Β

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Fig. 2 ein Schaltschema von Teilen der Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 3 den zeitlichen Verlauf einer linearen Reaktion und von Taktimpulsen bei bestimmten Intervallen während der dargestellten Reaktionsperiode.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 passiert das Licht einer Lampe einen Zerhacker 12. Der Zerhacker besteht aus einer von einem Motor angetriebenen Scheibe, die am Umfang eine Reihe durchgehender Löcher aufweist. Dadurch zerhackt der Zerhacker 12 den von der Lampe 10 zur Linse 14 gehenden Lichtstrahl beispielsweise 300 χ pro Sekunde, so daß man Lichtimpulse mit einer Frequenz von 300 Hz erhält. Die Lichtimpulse gehen durch die Linse 14 zur Küvette 16.

Die Küvette 16, die die zu untersuchende Lösung enthält, besteht ganz aus Glas, so daß dB Licht zwei Wände aus lichtdurchlässigem Material passieren muß. Die Lösung ist ein Reagens mit NADH und

der menschliches Serum mi;t dem Enzym zugesetzt wird, einem Puffer/ Das Licht von der Linse 14 gent durch die Küvette 16, durch die Lösung und das darin enthaltene Enzym und dann zum Filter 18.

Das Filter 18 läßt nur bestimmte Wellenlängen des Lichtes durch. Es enthält vier verschiedene Abschnitte, die sich einzeln in den Lichtstrahl bringen lassen. Jeder Abschnitt läßt eine bestimmte, andere Wellenlänge des Lichtes durch. Einer der vier Abschnitte läßt nur Licht mit einer Wellenlänge von 340 Nanometern passieren. Für das Ausführungsbeispiel wird nur diese Wellenlänge berücksichtigt. Das das Filter 18 passierende Licht geht zu einem Photodetektor 20, der eine der Intensität des ihm zugeführten Lichtes proportionale Spannung liefert.

Da die Lichtsignale der Lampe 10 durch den Zerhacker 12 unterbrochen sind, sind auch die vom Photodetektor 20 aufgenommenen Lichtsignale bei bestimmten Intervallen unterbrochen. Außerdem besitzen sie eine bestimmte Folgefraquenz. Die vom Photodetektor 20 gelieferte Spannung hat die Folgefrequenz des Zerhackers 12.

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Im dargestellten Ausführungsbeispiel liefert somit der Photodetektor 20 mit einer Folgefrequenz von 300 Hz Spannungssignale von bestimmter Dauer.

Die vom Photodetektor 20 gelieferten Spannungssignale gehen zum Filter 22. Dieses Filter läßt nur Signale im Bereich von 250 bis 300 Hz durch, d.h. das Licht von Lampe 10 und Zerhacker 12 kann das Filter 22 passieren. Störende Signale, wie sie etwa vom Umgebungslicht, beispielsweise von Leuchtstofflampen, erzeugt werden, sperrt das Filter 22. Die das Filter 22 passierenden Impulse schwanken nicht nur mit der Folgefrequenz des Lichtes, sondern auch je nach der Intensität des Lichts in jeder Amplitude. Nach dem Passieren des Filters 22 werden die Signale von einem Halbwellengleichrichter 24 gleichgerichtet, und gefiltert, so daß man ein Gleichspannungssignal erhält, das sich abhängig von der Amplitude der aufgenommenen Spannungssignale ändert. Das Gleichspannungssignal des Gleichrichters 24 geht zu einem Gradier-(Scaling-)Verstärker 26.

Wenn ein Präparat und ein Reagens in einer Küvette zunächst in den Lichtstrahl gebracht werden, noch bevor eine Reaktion eingesetzt hat, kann die optische Durchlässigkeit des Präparats sehr hoch sein, so daß eine relativ hohe Spannung am Ausgang des Gleichrichters 24 entsteht. Die optische Durchlässigkeit kann aber auch zu Beginn relativ gering sein, so daß eine relativ niedrige Spannung am Ausgang des Gleichrichters 24 vorhanden ist. Der Gradierverstärker 26 verstärkt die Spannung des Gleichrichters 24. Er enthält ein Potentiometer 27, an dem sich die Spannung am Ausgang des Verstärkers 26 auf eine bestimmte Referenzspannung einstellen läßt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Küvette mit Wasser in das System gebracht und das Potentiometer 27 so eingestellt, daß die Spannung an der Leitung 28, dem Ausgang des Verstärkers 26, 10 Volt beträgt.

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Dieses 10 Volt-Signal liegt im Arbeitsbereich der übrigen Schaltung und bewirkt, daß die am Ende des Reaktionszyklus entstehende Spannung bei einer gewählten Anfangsspannung von 10 Volt gut im Arbeitsbereich der Schaltung liegt· Die Einstellung des Potentiometers 27 wird vereinfacht über eine Verbindung zwischen der Leitung 28 und der Ausgabeschaltung 32 über einen Schalter 30.

Wenn der Schaltarm des dreistelligen Umschalters 30 am Anschluß 30a steht, ist die Leitung 28 mit der Ausgabeschaltung 32 verbunden. Die Ausgabeschaltung 32 zeigt dann die Aufzeichnung des aufgenommenen Spannungssignales an. Im Ausführungsbeispiel ist die Ausgabeschaltung 32 ein digitales Voltmeter, das die Spannung direkt anzeigt. Wenn der Schalter 30 in dieser Stellung steht und eine Küvette 16 zunächst eingesetzt wird, läßt sich das Potentiometer 27 so einstellen, daß die Ausgabeschaitung 32 eine Spannung von 10 Volt anzeigt.

Außerdem geht der Ausgang des Gradierverstärkers 26 über die Leitung 28 zu einer Logarithmierschaltung 34. Die Spannung der Leitung 28 variiert abhängig von der optischen Durchlässigkeit des Präparats in der Küvette 16. Die optische Lichtabsorption bzw. das Schluckvermögen ist definiert als Logarithmus des Kehrwertes der optischen Durchlässigkeit. Bei chemischen Reaktionen wie der beschriebenen verändert sich die Lichtabsorption mit fortschreitender Reaktion linear mit der Zeit. Die Spannung am Ausgang der Logarithmierschaltung ist das logarithmische Äquivalent des Kehrwertes der Spannung an ihrem Eingang. Der Logarithmierwandler 34 liefert somit ein Signal am Ausgang, das alle Eigenschaften der Lichtabsorption des Präparats in der Küvette 16 zeigt, einschließlich der linearen Änderung mit der. Zeit, wenn die Reaktion von Enzym und Präparat in der Küvette 16 fortschreitet. Der Ausgang der Logarithmierschaltung 34 geht über die Leitung 36 und den Anschluß 30b des Schalters 30 zur Ausgabeschaltung 32, so daß man die Lichtabsorption

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der Probe zu Beginn und mit fortschreitender Reaktion ablesen kann. Außerdem liegt der Ausgang des Logarithmierwandlers 34 am Anschluß 38a des Schalter 38.

Ein Bezugssägezahngenerator 40 liegt am Anschluß 38b des Schalters 38. Wenn der Schaltarm des Schalters 38 zum Kontaktanschluß 38b geht, beginnt der Generator 40 eine sägezahnförmige Spannung an seinem Ausgang zu liefern. Der Bezugssägezahngenerator 40 ist ein Sättigungsverstärker, dessen Ausgangsspannung bei einer vorgegebenen Spannung von 10 Volt nach einem BetriebsZyklus von 20 Minuten gesättigt ist. Während des Betriebszyklus des Bezugssägezahngenerators 40 steigt seine Ausgängsspannung linear an. Die Konstanren der speziellen Schaltung, die als Bezugssägezahngenerator 40 dienen sind so gewählt, daß sich die erzeugte Sägezahnspannung mit einer Rate oder Geschwindigkeit ändert, die eire· Absorptionsrate bei der Veränderung von 1/10 Absorptionseinheit pro Minute (a/ABS/i min.) äquivalent ist. Die Aufgabe des Bezugssägezahngenerators 40 wird im folgenden noch ausführlicher erläutert.

Die Ausgangsspannung der Logarithmierschaltung 34 oder der Sägezahnspannung des Generators 40 geht über den Schalter 38 zu. einer Reaktionsratenveränderungsschaltung 42. Diese Schaltung 42 tastet zu vorgegebenen Zeitintervallen die zugeführte Spannung während einer vorgegebenen Zeitperiode ab und liefert eine erste Abtastspannung, die in einem Verhältnis zur Größe der abgetasteten Spannung steht. Vor jeder Abtastung wird die letzte, gelieferte Abtastspannung während einer vorgegebenen Zeitperiode abgetastet, zur Lieferung einer zweiten Abtastspannung, die im Verhältnis zur Größe der ersten Abtastspannung steht.

Die Reaktionsratenveränderungsschaltung 42 vergleicht die während der ersten Abtastung aufgenommene erste Abtastspannung mit der zweiten Abtastspannung und liefert eine Differenz- oder Vergleichsspannung, die im Verhältnis zur Amplitude der ver-

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glichenen Abstastspannungen steht. Da diese Vergleichspannung auf Messungen basiert, die um vorgegebene Zeitintervalle getrennt sind, ist sie ein Maß für die Veränderungsrate in diesem Intervall und damit ein Maß für die Reaktionsrate der Veränderung von Lösung und Enzym in der Küvette 16. Eine an die Reaktionsratenveränderungsschaltung 42 angeschlossene Taktschaltung 44 liefert die Taktimpulse, die bewirken, daß die Reaktionsratenveränderungsschaltung die aufgenommene Spannung abtastet und aufeinanderfolgende Abtastungen vergleicht.

Die Vergleichsspannung der Reaktionsratenveränderungsschaltung 42 geht zu einem zweiten Gradierverstärker 46. Dieser verstärkt die Vergleichsspannung der Reaktionsratenveränderungsschaltung 42 und enthält ein Potentiometer 47» durch das die Spannung am Ausgang des Verstärkers 46 auf jeden gewünschten Wert einstellbar ist.

Während des Betriebs ist der Schalter 3ö über das Kontaktstück 38b mit dem Bezugssägezahngenerator 40 verbunden und der Schalter 30 verbindet die Ausgabeschaltung 32 mit dem Ausgang des Gradierverstärkers 46 (über das Kontaktstück 30c). Bei diesen Verbindungen liefert die Reakticnsratenveränderungsschaltung 42 ausgangsseitig eine Vergleichsspannung, die in einem direkten Verhältnis zu einer Veränderungsrate von 1/10 ABS/min steht, da der Bezugssägezahngenerator 40 diese Veränderungsrate bewirkt. Das Potentiometer 47 läßt sich so einstellen, daß sein Ausgangssignal und damit auch der von der Ausgabeschaltung 32 angezeigte Ausgang die Veränderungsrate der Absorption dA/dt oder internationale Einheiten (IU) oder andere Bezugseinheiten oder Standardmeßeinheiten anzeigt. Die Einstellung läßt sich auch so treffen, daß TemperatürSchwankungen der Lösung in der Küvette 16 und Schwankungen im Verhältnis von Lösung zur Probe berücksichtigt werden. Bei dieser Einstellung des Gradierverstärkers 46 und Verbindung des Schalters 38 mit dem Ausgang der Logarithmier-

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—. Q _

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schaltung 34 über den Kontaktanschluß 38a bezieht sich die Anzeige der Ausgäbeschaltung 32 auf eine Veränderungsrate von 1/10 ABS/min., unabhängig von der gewählten Maßeinheit, und ist somit eine direkte Anzeige in den gewünschten Einheiten.

Die Taktschaltung 24 und der Ausgang der Reaktionsratenveränderungsschaltung 42 sind auch mit einer Linearitäts- und Bereichsüberschreitungsschaltung 48 verbunden, die zwei Aufgaben erfüllt. Die Schaltung 48 speichert die von der Schaltung 42 gelieferte Vegleichsspannung und vergleicht sie mit der nachfolgenden Vergleichsspannung am Ausgang der Schaltung 42. Wenn diese Spannungen gleich sind, was bedeutet, daß die Reaktion linear verläuft, liefert die Linearitätsschaltung 48 keinen Ausgang. Sind die Werte jedoch nicht gleich bzw. sie unterscheiden sich um einen vorgegebenen Betrag, so liefert die Linearitätsschaltung 48 ein Ausgangssignal, das eine Lampe 50 aufleuchten läßt. Dadurch wird angezeigt, daß die Reaktion entweder nicht linear verläuft, daß sie sich noch nicht stabilisiert hat, oder daß andere Umstände in der Reaktion aufgetreten sind, die die erzielten Werte unbrauchbar machen. Dennoch werden, unabhängig vom Aufleuchten der Lampe 50, die zu dieser Zeit von der Reaktionsratenveränderungsschaltung gelieferten Resultate in der Ausgabeschaltung 32 angezeigt. Falls der Bedienungsperson die Testresultate brauchbar erscheinen, kann sie sie aufzeichnen.

Außerdem ist die Linearitäts- und Bereichsüberschreitungsschaltung 48 über die Leitung 52 mit dem Ausgang des Logarithmierwandlers 34 verbunden. Wenn die Ausgangsspannung des Logarithmierwandlers 34 10 Volt überschreitet, was zwei Absorptionseinheiten äquivalent ist, und somit den Arbeitsbereich des Systems überschreitet, liefert die Bereichsüberschreitungsschaltung 48 ein Ausgangssignal, das zur Lampe 50 geht, diese aufleuchten läßt und dadurch die Bereichsüberschreitung anzeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel läßt die Bereichsüberschreitungsschaltung 48 die Lampe 50 aufleuchten, wenn die Spannung am

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Ausgang des Logarithmierwandlers 34 10 Volt überschreitet.

In Fig. 2 sind die Reaktionsratenveränderungsschaltung 42 und die Linearitäts- und Bereichsüberschreitungsschaltung 48 detailliert dargestellt. Die von der Logarithmierschaltung 34 oder dem Bezugssägezahngenerator 40 gelieferte Spannung geht vom Schalter 38 über den Widerstand 60 zum Eingang 62 des Verstärkers 64, der die aufgenommenen Signale verstärkt und am Ausgangsanschluß 66 ein verstärktes Signal liefert. Die am Ausgangsanschluß 66 liegenden Zenerdioden 68 und 70 sind Kapp- oder Klemmdioden, die verhindern, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 64 einen vorgegebenen positiven Wert überschreitet. Die Spannung des Verstärkers 64 geht vom Ausgangsanschluß 66 über den Widerstand 72 zur Drainelektrode 74 des Feldeffekttransistors (FET) 76. Der FET 76 liegt mit der Gateelektrode 78 am Taktgenerator 44 und mit der Sourceelektrode 80 an einem Anschluß des Kondensators 82 und am Eingang 84 des Verstärkers 86. Der zweite Anschluß den Kondensators 82 liegt am Bezugspotential und den Ausgang des Verstärkers 86 bildet der Anschluß 88.

Der FET 76, der Kondensator 82 und der Verstärker 86 bilden eine erste Abtast- und Halteschaltung. In Fig. 3 zeigt der Kurvenverlauf A der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit eine lineare Spannungsänderung am Ausgang des Logarithmierwandlers 34, wenn in der Küvette 16 eine Reaktion erfolgt. Der Verlauf B zeigt die ersten Taktimpulse, die die Taktschaltung 44 auf die Gateelektrode 78 des FET 76 gibt. Wie der Kurvenverlauf B zeigt sind die Taktimpulse jeweils 1 Sekunde lang und durch ein Intervall von 15 Sekunden voneinander getrennt. Der erste Taktimpuls im Kurvenverlauf B erfolgt zum Zeitpunkt T₁, der nachfolgende erste Taktimpuls zum Zeitpunkt T₂ und der nächste bei T₃. Der- bei T₁ der Gateelektrode 78 des FET 76 zugeführte Takttimpuls steuert den FET durch und bringt das Signal an der

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Drainelektrode 74 auf den Kondensator 82. Der Kondensator lädt sich in dem Intervall von 1 Sekunde für den ersten Taktimpuls auf eine Spannung auf, die dem zugeführten Signal und damit dem Signal vom Logarithm!erwandler 34 proportional ist. Der Verstärker 86 ist ein Operationsverstärker mit extrem hohem Eingangswiderstand und ebensolcher Verstärkung, so daß die Spannung am Kondensator 82 auch am Ausgangsanschluß 88 auftritt. Die Spannung am Ausgang 88 ist die erste Abtastspannung und geht über den Widerstand 90 und das Potentiometer 92 zum Schleifer 94 des Potentiometers 92.

Die erste Ahtastspannung am Ausgang 88 des Verstärkers 86 geht ebenfalls über einen Kopplungswiderstand 100 zur Drainelektrode 102 eines FET 104. Die Gateelektrode 106 des FET 104 ist mit der Taktschaltung 44 verbunden und erhält die zweiten Taktimpulse des Kurvenverlaufs C in Fig. 3. Die Sourceelektrode 108 des FET 104 ist mit einem Anschluß eines Kondensators 110 und mit Eingang 112 des Verstärkers 114 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers am Anschluß 116 geht über den Widerstand 118 und das Potentiometer 92 zu dessen Schleifer 94.

Der FET 104, der Kondensator 110 und der Verstärker 86 bilden eine zweite Abtast- und Halteschaltung. Auf den oben beschriebenen Betriebszyklus ist der Taktimpuls für die Gateelektrode 106 des FET 104 ein zweiter Impuls gemäß Fig. 3, Kurvenverlauf C, unmittelbar vor dem Zeitpunkt T₂. Dieser zweite Taktimpuls steuert den FET 104 durch und gibt das erste Abtastsignal am Ausgangsanschluß 88 des Verstärkers 86 auf den Kondensator 110. Der Kondensator 110 lädt sich abhängig von der zugeführten Spannung in dem 1-Sekundenintervall auf eine Spannung auf, die der aufgenommenen Abtastspannung proportional ist. Die Spannung am Ausgang 116 des Verstärkers 114, die "zweite

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Abtastspannung" stimmt mit der Spannung am Kondensator 110 überein.

Während eines kurzen Zeitintervalles zwischen dem zweiten Taktimpuls unmittelbar vor dem Zeitpunkt T« und dem ersten Taktimpuls zum Zeitpunkt T₂ im Kurvenverlauf B und C in Fig. 3 sind die Ausgänge der Verstärker 06 und II4 gleich. Wenn der erste Taktimpuls, der im Kurvenverlauf B bei T₂ auftritt, auf die Gateelektrode 78 des FET 76 geht, tastet die erste Abtast- und Halteschaltung mit dem FET 76, dem Kondensator 82 und dem Verstärker 86 die Spannung im Kurvenverlauf A zum Zeitpunkt T₂ ab und liefert am Ausgangsanschluß 8ö des Verstärkers 86 eine Abtastspannung, die der abgetasteten Spannung proportional ist. Am Ende des ersten Taktimpulses, der zum Zeitpunkt T_p beginnt, ist die erste Abtastspannung am Ausgang 88 des Verstärkers 86 propotional der Spannung zum Zeitpunkt T₂ im Kurvenverlauf A in Fig. 3 und die zweite Abtastspannung am Ausgang 116 des Verstärkers 114 ist der Spannung zum Zeitpunkt T«. im Kurvenverlauf A in Fig. 3 proportional.

Die Widerstände 90 und 118 sowie das Potentiometer S2 bilden eine Summierschaltung. Die erste Abtastspannung am Ausgang 88 des Verstärkers 86, nach Beendigung des ersten Taktimpulses, der zum Zeitpunkt T„ beginnt, geht über den Widerstand SO zum Potentiometer 92. Die aweite Abtastspannung am Ausgang des Verstärkers 114 geht zu diesem Zeipunkt über den Widerstand 118 zum Potentiometer 92. Die dem Potentiometer 92 zugeführten erste und zweite Abtastspannung haben ein entgegengesetztes Vorzeichen, so daß da diese beiden Signale summierende Potentiometer 92 eine Differenz- oder Vergleichsspannung liefert, die gleich ihrer Differenz ist. Diese Vergleichsspannung entsteht am Arm 94 des Potentiometers 92 und geht zum Eingangsanschluß 120 des Verstärkers 122. Dieser Verstärker bewirkt lediglüi eine Verstärkung der Vergleichsspannung und gibt sie dann von Ausgang 124 zum Gradierverstärker 46 in Fig. 1 und

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zu der Linearitäts- und Bereichsüberschreitungsschaltung 48.

Der Ausgang des Verstärkers 122 liegt über den Widerstand 13ü in der Linearitäts- und Bereichsüberschreitungsschaltung 48 an der Drainelektrode 132 des FET 134. Die Gateelektrode des FET 134 ist mit der Taktschaltung 44 und die Sourceelektrode mit einem Anschluß eines Kondensators 140 und dem Eingang 142 des Verstärkers 144 verbunden. Am Anschluß 146 tritt der Ausgang des Verstärkers 144 auf, der über einen Widerstand 148 auf die Verbindungsstelle 150 gegeben wird, die über einen Widerstand mit dem Ausgang 124 des Verstärkers 122 verbunden ist.

Der FET 134, der Kondensator 140 und der Verstärker 144 bilden eine dritte Abtast- und Halteschaltung, die im wesentlichen übereinstimmend mit den beiden ersten Abtast- und Halteschaltungen arbeitet und aufgebaut ist. Die dritten Taktimpulse gemäß dem Kurvenverlauf D in Fig. 3 werden von der Taktschaltung 44 geliefert. Jeder dritte Taktimpuls hat eine Periode von etwa 1 Sekunde und ist vom vorhergehenden und nachfolgenden Taktimpuls um jeweils 15 Sekunden getrennt. Wie ebenfalls Fig. 3 zeigt ändert der dritte Taktimpuls unmittelbar vor Beginn eines zweiten Taktimpulses.

Wieder dem oben eingeleiteten Arbeitszyklus folgend geht der dritte Taktimpuls, der zwei Sekunden vor dem Zeitpunkt T₃ in Fig. 3 auftritt, zur Gateelektrode 136 des FET 134. Dieser dritte Taktimpuls steuert den FET 134 durch und gibt die Differenzspannung am Ausgang 124 des Verstärkers 122 auf den Kondensator I40, der sich abhängig von der Differenzspannung in seinem 1-Sekunden-Intervall auf eine Spannung auflädt, die der abgetasteten Vergleichsspannung proportional ist. Der Verstärker 144 besitzt eine hohe Verstärkung und einen hohen Eingangswiderstand und stimmt im wesentlichen mit dem Verstärker 86 und 114 überein. Infolgedessen tritt die Spannung am Eingang des Verstärkers 144 ebenfalls am Ausgangsanschluß 146 auf und

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das Vorzeichen der Spannung am Ausgangsanschluß 146 wird gegenüber dem Vorzeichen der Spannung am Ausgangsanschluß 124 des Verstärkers 122 umgekehrt. Die Spannung am Ausgangsanschluß 146 des Verstärkers 144 ist die dritte Abtastspannung.

Während eines kurzen Zeitpunktes zwischen dem dritten Taktimpuls unmittelbar vor der Zeit T und dem zweiten Taktimpuls, der nach Beendigung des genannten dritten Taktimpulses auftritt, ist die Spannung am Ausgang 124 des Verstärkers 122 und am Ausgang 146 des Verstärkers 144 einander entgegengesetzt gleich. V7enn der zweite Taktimpuls unmittelbar vor der Zeit T„ aufhört, ist die Vergleichs- oder Veranderungsratenspannung am Ausgang 124 des Verstärkers 122 das Veränderungsratensignal, das die Veränderungsrate bzw. Veränderungsgeschwindigkeit der Spannung im Kurvenverlauf A zwischen der Zeitperiode T„ und T„ anzeigt und das dritte Abtastsignal am Ausgang I46 des Verstärkers ist dem Veränderungsratensignal proportional, das die Spannung im Verlauf A zwischen der Zeitperiode T₁ und T₀ darstellt.

Die Widerstände I48 und 152 bilden eine Summierschaltung. Die Spannung am Ausgang 124 des Verstärkers 122, die zeitlich die zweite Vergleichsspannung darstellt, geht vom Ausgang 124 über den Widerstand 152 zur Verbindung 150. Die am Ausgang 146 auftretende dritte Abtastung, die zeitlich die erste Vergleichsoder Veranderungsratenspannung darstellt, geht über den Widerstand 148 zu diesem Verbindungspunkt 150. Wie bereits erwähnt, sind die beiden Spannungen einander entgegengesetzt, so daß sie sich am Verbindungspunkt 1 50 algebraisch addieren und eine Spannung bilden, die gleich ihrem Spannungsunterschied ist. Die am Verbindungspunkt 150 entstehende Spannung geht zum Eingang 160 des Verstärkers 162, der das aufgenommene Signal verstärkt und an seinem Ausgang 166 ein verstärktes Signal abgibt. Dieses verstärkte Signal geht zum Eingang 168 des Komparator 170 und über einen Widerstand 172 zum Eingang des Inverters 176.

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Der Inverter 176 liefert an seinem Ausgang I78 ein umgekehrtes Signal, das auf den Eingang 180 eines zweiten Comparators 182 geht. Die zweiten Eingänge 184 bzw. 186 der Komparatoren 170 bzw. 182 sind mit dem Verbindungspunkt 188 der Vorspannungswiderstände 190 und 192 verbunden, die eine Bezugsspannung für die Komparatoren 170 und 182 bilden, die zur Aktivierung der Komparatoren überschritten werden muß. Um ausgangsseitig anzeigen zu können, ob der Ausgang am Anschluß 166 des Verstärkers 162 positiv oder negativ ist, sind die Komparatoren 170 und 182 komplementär aufgebaut.

Wenn die demVerbindungspunkt 150 der Summierschaltung zugeführten Spannungen gleich sind, was bedeutet, daß die Veränderungsratenspannungen bzw. Geschwindigkeitsänderungsspannungen zum Zeitpunkt T₁ und T₂ gleich sind und daß die vorhergehende Reaktion linear ist, so ist die Ausgangsspannung am Verbindngspunkt 150 gleich Null. Der Ausgang des Verstärkers 156 ist infolge der Verstärkereigenschaften eine bestimmte, endliche Spannung, die aber sehr nahe bei Null liegt. Infolgedessen wird die Vorspannung des Verstärkers 170 nicht überschritten und dieser nicht durchgesteuert. Der Verstärker 176 kehrt das Vorzeichen des Signales am Ausgangsanschluß 166 einfach um, so daß der Ausgang am Anschluß 178 demjenigen am Anschluß 166 umgekehrt gleich ist. Dadurch überschreitet die Spannung am Eingangsanschluß 180 nicht die Bezugsspannung des Komparators 182, so daß dieser ausgeschaltet bleibt.

Wenn die Reaktion nicht linear verläuft, so ist die Spannung am Verbindungspunkt 150 nicht mehr Null, so daß am Ausgangsanschluß 166 des Verstärkers 162 eine Differenzspannung auftritt. Falls diese Differenzspannung positiv ist und die Vorspannung am Verbindungspunkt 188 der Widerstände 190 und 192 überschreitet, so wird der Komparator 170 durchgesteuert und gibt eine positive Spannung vom Anschluß 200 auf den Anschluß 202 und die Lampe 50, die somit aufleuchtet. Falls die Differenzspannung am Ausgang 166 negativ ist und die Vorspannung am Verbindungspunkt 188 überschreitet, so spricht der Komparator 182 an und

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gibt vom Anschluß 204 eine Spannung auf den Anschluß 206 und die Lampe 50, die wiederum aufleuchtet.

Die oben erwähnte Bereichsüberschreitungsschaltung enthält einen Komparator 210 gemäß Fig. 2 mit einem Eingang 212, der am
logarithmischen Wandler 34 liegt, einen zweiten Eingang 214, der mit dem Verbindungspunkt 216 der Widerstände 218 und 220 verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß 222, der zur Lampe 5ü führt.
Die Widerstände 218 und 220 sind so gewählt, daß die Spannung am Verbindungspunkt 216 10 Volt beträgt. Falls die Spannung am Ausgang des Gradier-(Scaling-)Verstärkers 26 diese 10 Volt überschreitet, wird der Bezugs- oder Referenzverstärker 210 durchgesteuert und die Spannung an seinem Anschluß 224 geht zum Anschluß 222 und
damit zur Lampe 50, die ebenfalls wieder aufleuchtet.

Patentanwälte

Dip!. Ing. t:. Eder

Dipl. inn ■·'· Schieschke

8 Münc.it.,.-,υ, ii;sai)3i.hsüs.je34.

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Claims

Patentanwälte Dipl. - Ing E. Eder Dip!, ing. K. Schieschke 8 München «,Eäabelhstraße 34 Patentansprüche

1. Meßsystem für die Reaktionsgeschwindigkeit einer Probe, bei der die Reaktion durch ein sich zeitabhängig änderndes, elektrisches Eingangssignal dargestellt wird, gekennzeichnet durch eine das elektrische Eingangssignal aufnehmende Eingangsschaltung ( 22, 24, 26, 34), durch eine an die Eingangsschaltung angeschlossene erste Abtastschaltung (76, 82, 86), die das elektrische Eingangssignal zu bestimmten, ersten Zeitintervallen abtastet, während der Abtastung ein dem elektrischen Eingangssignal proportionales, erstes Abtastsignal liefert und dieses bis zur nächsten Abtastung aufrechterhält, durch eine an die erste Abtastschaltung angeschlossene zweite Abtastschaltung (104, 110, 114), die das erste Abtastsignal zu bestimmten zweiten Zeitintervallen abtastet, während dieser Abtastung ein dem ersten Abtastsignal proportionales, zweites Abtastsignal liefert und dieses bis zur nächsten Abtastung aufrechterhält, durch eine an diese beiden Abtastschaltungen angeschlossene Summierschaltung (90,92, 118), deren Ausgangssignal die Differenz zwischen erstem und zweitem Abtastsignal darstellt, und durch eine an die Summierschaltung angeschlossene Wiedergabeschaltung (32), deren Ausgang dem Ausgangssignal der Summierschaltung proportional ist.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß

die erste Abtastschaltung eine erste Abtast- und Halteschaltung (82, 86) zur Abtastung des elektrischen Eingangssignales, für das erste Abtastsignal und zu seiner Speicherung aufweist sowie eine Gateschaltung (76), angeschlossen an die Eingangsschaltung und die Abtast- und Halteschaltung, die bei den vorgegebenen, ersten Intervallen die Eingangsschaltung mit der Abtast- und Halteschaltung verbindet.

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3. Meßsystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Taktschaltung (44) für bei vorgegebenen Intervallen auftretende erste Taktimpulse und durch den Anschluß der Gateschaltung (76) an die Taktschaltung, so daß abhängig von den Taktimpulsen die Eingangsschaltung mit der Abtast- und Halteschaltung verbunden wird.

4. Meßsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Halteschaltung einen an die Gateschaltung (76) angeschlossenen Kondensator (82) enthält, dessen Spannung dem elektrischen Eingangssignal proportional ist, und daß zur Verstärkung diesa? Spannung an den Kondensator ein Verstärker {Ö6) angeschlossen ist.

5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abtastschaltung eine Abtast- und Halteschaltung (110, 114) zur Abtastung des ersten Abtastsignales, zur Lieferung des zweiten Abtastsignales und zu seiner Speicherung aufweist und daß die Gateschaltung (104) an die erste Abtastschaltung und an die Abtast- und Halteschaltung angeschlossen ist und bei den vorgegebenen, zweiten Intervallen die erste Abtastschaltung mit dieser Abtast- und Halteschaltung verbindet.

6. Meßsystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Taktschaltung (44) für zweite Taktimpulse in vorgegebenen Interallen und durch den Anschluß der Gateschaltung (104) an die Taktschaltung, so daß abhängig von den Taktimpulsen die erste Abtastschaltung mit der Abtast- und Halteschaltung (110, 114) verbunden ist.

7. Meßschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Halteschaltung (110, 114) einen Kondensator (110) umfaßt, der an die Gateschaltung (104) angeschlossen ist und eine dem ersten Abtastsignal proportionale Spannung aufweist, und daß zur Verstärkung dieser Spannung ein Verstärker (114) an den Kondensator angeschlossen ist.

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8. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung einen ersten Widerstand (90) enthält, dessen einer Anschluß an der zweiten Abtastschaltung und dem zweiten Anschluß liegt, und daß ein zweiter Widerstand (118) einen ersten Anschluß aufweist, der mit der zweiten Abtastschaltung verbunden ist, und einen zweiten Anschluß, der mit dem zweiten Anschluß des ersten Widerstandes verbunden ist, so daß das Ausgangssignal an den zweiten Anschlüssen der beiden Widerstände auftritt,

9. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Anschluß einer dritten Abtastschaltung (134, 140, 144) an die Summierschaltung, so daß bei vorgegebenen dritten Intervallen das_ Ausgangssignal abgetastet und ein drittes Abtastsignal geliefert wird, während der Abtastung, proportional dem Ausgangssignal, und so daß das dritte Abtastsignal bis zur folgenden Abtastung gehalten wird, und durch den Anschluß einer Vergleichsschaltung (152, 150, 176, 170, 182) an die Summierschaltung, so daß das dritte Abtastsignal mit dem Ausgangssignal vergleichen und abhängig von Unterschieden zwischen diesem Ausgangs- und dem dritten Abtastsignal ein Vergleichssignal geliefert wird, und durch eine an die Vergleichsschaltung angeschlossene Anzeige (50), die abhängig vom Vergleichssignal einen Unterschied zwischen dem Ausgangssignal und dem dritten Abtastsignal und damit eine Abweichung von der linearen Eeaktionsgeschwindigkeitsänderung anzeigt.

10. Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Abtastschaltung eine Abtast- und Halteschaltung (140, 144) zur Abtastung dieses Signales und zur Lieferung und Speicherung des dritten Abtastsignales enthält und daß eine Gateschaltung (134) an die Summierschaltung (90, 92, 118) und die Abtast- und Halteschaltung (140, 144) angeschlossen ist, die bei diesen vorgegebenen, dritten Intervallen die Summierschaltung auf die Abtast- und Halteschaltung schaltet.

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11. Meßsystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Tastschaltung (44) für dritte Taktimpulse zu vorgegebenen Intervallen, wobei die Gateschaltung (134) an die Taktschaltung angeschlossen ist und abhängig von den Taktimpulsen die Summierschaltung (90, 92, 118) mit der Abtast- und Halteschaltung verbindet.

12. Meßsystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Halteschaltung einen Kondensator (140) enthält, der an die Gateschaltung (134) angeschlossen ist und dessen Spannung dem Summiersignal proportional ist, und daß zur Vestärkung der Spannung des Kondensators ein Verstärker (144) an diesen angeschlossen ist.

13. Meßsystem nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung einen ersten Widerstand (152) enthält, dessen erster Anschluß mit der Summierschaltung verbunden ist und daß ein zweiter Widerstand (148) mit einem ersten Anschluß an die erste Abtastschaltung und mit einem zweiten Anschluß an den zweiten Anschluß des ersten Widerstandes angeschlossen ist.

14. Meßsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine erste Signaleinstellungsschaltung (26) in der Eingangsschaltung zur Aufnahme des elektrischen Signales, wobei die Einstellungsschaltung (26) zur Wahl einer vorgegebenen Signalamplitude vor jeder Reaktion dient, durch eine erste Kopplungsschaltung (38), die einen logarithmischen Verstärker (34) mit der ersten Abtastschaltung verbindet, zum selektiven Anschluß dieses Verstärkers an die erste Abtastschaltung, durch einen Referenzgenerator (40), der an die Kopplungsschaltung (38) angeschlossen ist und ein elektrisches Referenzsignal liefert, das eine vorgegebene zeitliche Veränderungsrate aufweist, und dieses zur Bildung einer Referenzveränderungsrate des Systems auf die erste Abtastschaltung gibt, und durch

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eine zweite Kopplungsschaltung (30), die die Summierschaltung, den logarithmischen Verstärker und die erste Signaleinstellungsschaltung mit der Wiedergabeeinrichtung (32) verbindet, zur säLektiven Wiedergabe des dem Ausgangssignal proportionalen Ausganges, des elektrischen Signales vom logarithmischen Verstärker und des eingestellten, elektrischen Signales von der ersten Signaleinstellungsschaltung.

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