DE2812872A1

DE2812872A1 - Spektrophotometer

Info

Publication number: DE2812872A1
Application number: DE19782812872
Authority: DE
Inventors: Donald L Kramer; James A White
Original assignee: Miles Laboratories Inc
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1977-03-25
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-09-28
Also published as: JPS53120486A; GB1589335A; SE440401B; HU179543B; US4171909A; JPS601391Y2; JPS5949934U; BR7801816A; IT7847730A0; IN148027B; AR214914A1; SE7803362L; CA1078641A; FR2385088A1; DE2812872C2; AU506177B2; FR2385088B1; IT1103880B; AU3183677A

Description

DK. ING. F. WUESTHOFF DR-E. ν. PECIIMANN DK. ING. D. BEHRENS DIPL. ING. R. GOETZ PATENTANWÄLTE

8OOO MÜNCHEN SCIIWEIGHHSTHASSE TELEi-oti (089) G6 20 TKLEX 5 24 070

TSLKGRA-MME :

1A-50

Anmelder:

Miles Laboratories, Inc. Myrtle Street,
Elkhart, Indiana, USA

Titel:

"Spektrophotometer"

609839/1022

SB. IJiG. V. WTTESTHGFF BH-B. ν. PKCHMAlSrii

BR. IWG. B. BKHRKIfS BIPIj. IKG. R. GOETZ

«ΓΕΙ*

T-

TELEX 3 24O7O

XELE-GBAM ME S PÜOTECTPATEIJT ■

2812S72

1A-50 284

Spektrophotometer

BESCHHEIBÜIS

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrophotometer der Filterbauart zum Messen des Reflexionsvermögens oder der Lichtdurchlässigkeit,

Es sind bereits Geräte zum Messen des Reflexionsvermogens bekannt, bei denen photoelektrische Zellen benutzt werden, um Farbwerte dadurch zu ermitteln, daß die Lichtmenge gemessen wird, welche durch eine gefärbte Fläche reflektiert wird, die durch eine Bezugslichtquelle beleuchtet wird. Bei diesen bekannten Geräten ergeben sich jedoch verscMedeiie Nachteile, wenn man -versucht, unter geringem Zeitaufwand Farbwerte von analytischen Proben zu messen, z.B. von saugfähigen Trägern, die mit chemischen Reagenzsystemen getränkt sind.

Bei einigen der bekannten Geräte besteht einer der darin, daß zur Standardisierung zeitraubende Einstellarbeiten erforderlich sind, insbesondere müssen wiederholte Einstellarbeiten durchgeführt werden, um bei vorhandenen Einrichtungen Abweichungen bezüglich der Zeit und der Temperatur zu kompensieren. Insbesondere können bei solchem (Geräten Störungen auftreten, die auf eine unterschiedliche Zufuhr von

8Ö9839/1G22

50 284

Energie zu der Lichtquelle zurückzuführen sind. Bei den bekannten Geräten erfolgt zur Regelung der Leistungsaufnahme gewöhnlich nur eine Regelung der Spannung und/oder der Stromstärke derart, daß die Leistungsaufnahme der Lichtquelle im wesentlichen konstant gehalten wird. Auch wenn solche Einstellarbeiten durchgeführt werden, können Fehler bezüglich der Eichung der Geräte auftreten, die von kurzzeitigen Veränderungen der Lichtleistung der Lichtquelle oder kurzzeitigen Veränderungen der Empfindlichkeit der photoelektrischen Zellen herrühren. Die Notwendigkeit einer wiederholten Eichung erweist sich nicht nur als unbequem, sondern sie kann auch zu Meßfehlern führen, wenn die Nacheichung nicht genau durchgeführt wird. Daher benötigt man zur Bedienung solcher Geräte besonders ausgebildetes Personal.

Ein weiterer erheblicher Nachteil der bekannten Geräte besteht darin, daß die Lichtquelle große Wärmemengen erzeugt, und daß daher der Lichtquelle eine große Leistung zugeführt werden muß. Dieses Problem wird auch nicht durch die Verwendung von Wärmefiltern zum Schutz der Proben gelöst. Solche Wärmefilter führen nicht zu einer Verringerung der Leistungsaufnahme, und andererseits bewirken sie eine Verringerung der Intensität des ausnutzbaren Lichtes. Zwar wurde bereits vorgeschlagen, anstelle von Wärmefiltern Verschlüsse zu verwenden, die es ermöglichen, die volle Intensität der Lichtquelle auszunutzen, doch wird auch in diesem Fall der Energiebedarf nicht verringert.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Geräte besteht darin, daß sie große Abmessungen und ein erhebliches Gewicht haben. Die meisten bekannten Geräte sind wegen ihrer Größe, ihrer Kompliziertheit und der Notwendigkeit, für eine Regelung der während des Betriebs erzeugten Wärme kostspielig. Außerdem lassen sich manche der bekannten Geräte nur unter Schwierigkeiten umstellen, wenn einerseits das Reflexionsvermögen und andererseits die Lichtdurchlässigkeit gemessen werden soll.

fl09839/102?

50 284

Schließlich besteht bei vielen bekannten Geräten zum Messen des Reflexionsvermögens ein weiteres Problem darin, daß es erforderlich ist, die Umgebungsbeleuchtung während des Betriebs sorgfältig zu regeln, damit die Genauigkeit der Meßergebnisse nicht beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrophotometer der Filterbauart zu schaffen, das relativ billig herstellbar ist, das es ermöglicht, sowohl das Reflexionsvermögen als auch die Lichtdurchlässigkeit zu messen, bei dem eine kühle Lichtquelle benutzt wird, die eine gleichmäßige Lichtintensität liefert, zu dessen Gebrauch es nicht erforderlich ist, eine Eichung durch besonders ausgebildetes Personal durchführen zu lassen, und das eine relativ kompakte Konstruktion bildet, so daß es sich leicht transportieren läßt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Geräts gelöst, das es ermöglicht, Licht zu messen, das von einer gefärbten Fläche reflektiert oder von einer gefärbten Substanz durchgelassen wird, und das eine Lichtquelle aufweist, die es gestattet, eine Probe während einer kurzen Zeitspanne mit äußerst intensivem Licht zu beleuchten, ferner ein Lichtfilter, eine Lichtfühleinrichtung sowie Einrichtungen, durch die voneinander getrennte Lichtwege festgelegt werden, längs welcher sich das Licht von der Lichtquelle zu einer Lichtfühleinrichtung sowie von einer beleuchteten Probe zu einer weiteren Lichtfühleinrichtung fortpflanzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehört zu dem Gerät eine Integrationskugel.

¥ird das Gerät zum Messen des ReflexionsVermögens benutzt, ist es insbesondere geeignet, die Farbwerte analytischer Probenträger zu messen, z.B. von saugfähigen Trägern, die mit chemischen Reagenzmassen getränkt sind. Ferner ermöglicht es das Gerät, die Lichtdurchlässigkeit flüssiger Proben zu messen. Um spektrophotometrische Messungen der Lichtdurchlässig-

809839/1022

50 284

keit durchzuführen, ist es nur erforderlich, dafür zu sorgen, daß das Licht durch eine die flüssige Probe enthaltende Küvette fällt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des ReflexionsVermögens;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Lichtdurchlässigkeit;

Fig. 3 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die es ermöglicht, nach Bedarf das Reflexionsvermögen oder die Lichtdurchlässigkeit zu messen;

Fig. 4 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 5 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 und 2 ist ein Spektrophotometer nach der Erfindung dargestellt, zu dem im wesentlichen eine Lichtquelle gehört, die geeignet ist, jeweils während einer kurzen Zeitspanne extrem helles Licht zum Beleuchten einer Probe zu erzeugen, ferner eine Integrationskugel, ein Lichtfilter zum Durchlassen von Licht einer bestimmten Wellenlänge, getrennte Lichtfühleinrichtungen sowie gesonderte Einrichtungen, durch die Lichtübertragungswege festgelegt werden, längs welcher Licht von der Integrationskugel zu den beiden Lichtfühleinrichtungen gelangen kann. Ferner ist an die Verwendung einer auswechselbaren oder verstellbaren Einrichtung gedacht, die es ermög-

ÖÖ9839/1022

50 284

licht, das Spektrophotometer nach Bedarf zum Messen des Reflexionsvermögens oder zum Messen der Lichtdurchlässigkeit zu benutzen.

Genauer gesagt gehört zu dem Spektrophotometer 10 eine Lichtdiffusionskammer bzw, eine Lichtintegrationskugel 13 zum gleichmäßigen Verteilen von Licht, und ferner ist eine Kammer 3 vorhanden, die dazu dient, einen Einschub 28 auzunehmen, in den ein Filter 25 eingebaut ist. Nahe dem hinteren Teil der Integrationskugel 13 ist eine Lichtquelle 12 angeordnet, und ein Gehäuse 2 weist an einer entsprechenden Stelle eine Öffnung 4 auf, durch die Licht von der Lichtquelle zu der Integrationskugel gelangen kann.

Der Lichtquelle 12 wird elektrische Energie über nicht dargestellte Leitungen zugeführt, und die Lichtquelle muß geeignet sein, jeweils während einer kurzen Zeitspanne extrem helles Licht zu erzeugen. Genauer gesagt, erzeugt die Lichtquelle 12 weißes Licht mit abgestimmten Farbtemperaturen oder Spektraleigenschaften, wie sie für einen schwarzen Körper typisch sind, der sich auf einer Temperatur von 20 000¹K befindet, und die Intensität des Lichtes muß mindestens 5000^CK entsprechen. Die Zeitspanne, während welcher die Lichtquelle Licht erzeugt, liegt vorzugsweise zwischen etwa 1 und etwa 100 Mikrosekunden, doch sei bemerkt, daß in besonderen Fällen auch mit einer kürzeren oder längeren Zeitspanne gearbeitet werden kann. Zu den Lichtquellen, die diesen Forderungen entsprechen, gehören gepulste Xenon-Blitzlichtbirnen. Bei den erfindungagemäßen Vorrichtungen hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, als Lichtquelle das Modell FX-108 B*U. zu verwenden, das von der E.G.&G., Inc., Salem, Massachusetts, V.St.A., hergestellt wird.

Die Integrationskugel 13 hat die Aufgabe, das Licht der Lichtquelle 12 zu verteilen; bei der aus Fig. 1 und 2 ersichtlichen

BÖ983 9/1022

50 284

Anordnung der Lichtquelle 12 handelt es sich lediglich um die bevorzugte Anordnung, doch könnte man die Lichtquelle gegenüber der Integrationskugel auch anders anordnen, wenn die gewünschte Diffusion des Lichtes erzielt wird. Allerdings soll die Lichtquelle nicht in direkter Fluchtung mit irgendeinem der von der Integrationskugel ausgehenden Lichtübertragungswege angeordnet sein.

Die Innenfläche der Integrationskugel 13 soll in hohem Maße reflexionsfähig sein. Es hat sich gezeigt, daß man eine Fläche mit ausreichendem Reflexionsvermögen erhält, wenn man eine Integrationskugel verwendet, deren Innenfläche mit Magnesiumoxid, Bariumsulfat, dem Polytetrafluoräthylenharz "Halon" der Allied Chemical Corporation, Morristown, N.J., V.St.A., o.dgl. beschichtet ist. Die Größe der Integrationskugel ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung. Es hat sich als ausreichend erwiesen, eine Integrationskugel zu verwenden, die nicht größer ist als ein Tischtennisball.

Das Gehäuse 2 weist ferner eine Einrichtung zum Positionieren einer Probe an einer Probenaufnahmestation auf; hierzu gehört eine Öffnung 14, der aus dem Innenraum der Integrationskugel 13 Licht zugeführt werden kann, um eine Probe 15 zu beleuchten. Natürlich muß die Öffnung 14 hinreichend groß sein, um die Probe 15 aufnehmen zu können, die nur über eine kleine Strecke in die Integrationskugel 13 hineinragen soll. Bei der aus Fig. 1 ersichtlichen Anordnung ist das Spektrophotometer 10 insbesondere geeignet, das Reflexionsvermögen einer Probe zu messen, bei der es sich um einen Reagenzstreifen handelt, der zum Gebrauch eingetaucht und dann beurteilt wird.

Wird die Vorrichtung 10 benutzt, um das Farbreflexionsvermögen einer Probenfläche zu ermitteln, z.B. eines relativ dünnen Blutglucose-Prüfstreifens nach der US-PS 3 298 789, wird der

ÖÖ9839/1022

50 284

Prüfstreifen gegenüber der Öffnung 14 so angeordnet, daß die die Probe tragende Fläche 15 in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise nach oben gerichtet ist. Der genannte Prüfstreifen erzeugt z.B. verschiedene Farbwerte, die unterschiedlichen Werten des Glucosegehalts des Blutes entsprechen und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ziemlich genau gemessen werden können.

Das Gehäuse 2 und der Einschub 28 sind mit Durchlässen versehen, durch die voneinander getrennte Lichtübertragungswege 17 und 18 abgegrenzt werden, welche sich von der Integrationskugel 13 aus zu voneinander getrennten Lichtfühleinrichtungen erstrecken, z.B. zu Photodetektoren 20 und 21, die in das Gehäuse 2 eingebaut und gegenüber der Kammer 3 angeordnet sind. Der Lichtübertragungsweg 17 verläuft vorzugsweise allgemein tangential von einer Seite der Integrationskugel 13 aus und dient zum Zuführen von Licht zu einem Bezugsphotodetektor 20. Der Lichtübertragungsweg 18 erstreckt sich dagegen vorzugsweise von der Probe 15 aus in diametraler Richtung durch die Integrationskugel 13 und dient dazu, das durch die Probe reflektierte Licht auf direktem Wege zu dem Photodetektor 21 gelangen zu lassen.

Als Photodetektoren 20 und 21 werden bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 vorzugsweise gleichartige Silizium-Festkörper-Photodioden verwendet, z.B. solche vom Typ UVIOOB der E.G.&G., Inc., Salem, Mass., V.St.A., sowie solche vom Typ S 876-33 BQ der Hemamatsu Corporation, Middlesex, N.J., V.St.A.

Die Lichtübertragungswege 17 und 18 sollen eine ausreichende Größe und eine solche Form haben, daß sie den Lichtfühleinrichtungen im wesentlichen parallelgerichtetes Licht zuführen. Der Lichtweg 17 wird durch gleichachsige, allgemein zylindrische Kanäle 5 und 6 in dem Gehäuse 2 bzw. dem Einschub 28 ge-

309839/1022

50 284

bildet, während der Lichtweg 18 durch ein kegeistumpfförmiges Rohr 7 und einen gleichachsig damit angeordneten zylindrischen Kanal 8 des Einschubs 28 gebildet wird. Das Rohr 7 wird in einer kegeistumpfförmigen Bohrung 9 unterstützt, die gleichachsig mit dem Kanal 8 angeordnet ist und eine Verbindung zwischen der Kammer 3 und der Integrationskugel 13 herstellt. Gemäß Fig. 1 und 2 ist das Rohr 7 vorzugsweise mit durch einen axialen Abstand getrennten, nach innen ragenden ringförmigen Flanschen oder Lichtabschirmungen 22 und 23 versehen, die gleichachsig angeordnete runde Öffnungen aufweisen, deren Durchmesser annähernd gleich dem Durchmesser der Öffnung am unteren Ende des Rohrs 7 ist, so daß sie dazu beitragen, das hindurchfallende Licht parallelzurichten.

Zwar hat das Rohr 7 gemäß Fig. 1 und 2 die Form eines Kegelstumpfes, doch könnte man natürlich auch ein Rohr von anderer Gestalt verwenden. Die Wandflachen der Kanäle 5, 6 und 8 sowie die Innenflächen des Rohrs 7 sind vorzugsweise mit einem mattschwarzen Anstrich oder Überzug versehen, damit sie Streulicht bzw. nicht parallelgerichtete Lichtstrahlen schlucken. Das Gehäuse 2, der Einschub 28 und das Rohr 7 können aus einem beliebigen geeigneten Material wie Metall oder Kunststoff hergestellt sein. Beispielsweise kann man das Rohr 7 als Formteil aus weißem Kunststoff oder Metall herstellen und es auf der Innenseite mit einem mattschwarzen Anstrich oder Überzug versehen.

Bevor das sich längs der Wege 17. und 18 fortpflanzende Licht zu den Photodetektoren 20 und 21 gelangt, durchläuft es ein Interferenzfilter 25, das.nur Licht mit einer bestimmten Wellenlänge durchläßt. In Verbindung mit Messungen an zum Eintauchen und Ablesen bestimmten Reaganzstreifen werden normalerweise Filter verwendet, die Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 300 und etwa 725 nm- reflektieren. Wird in der nachstehend beschriebenen Weis» die Lichtdurchlässigkeit ge-

S09839/KU2

50 284

messen, werden Filter verwendet, die Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 250 und etwa 800 nm durchlassen.

Das Filter 25 kann aus einem beliebigen geeigneten Material wie Glas, Kunststoff oder dgl. bestehen. Anstelle eines sich quer zu beiden Lichtübertragungswegen erstreckenden Filters könnte man ggf. auch getrennte Filter benutzen.

Die Filter können Bestandteile von Patronen bilden, so daß sie sich je nach dem Material der zu untersuchenden Probe leicht in die Vorrichtung einführen bzw. aus ihr entnehmen lassen. Ferner ist es möglich, ein nicht dargestelltes Rad mit mehreren Filtern zu benutzen, das sich in die Vorrichtung einführen und nach Bedarf drehen läßt, um das jeweils gewünschte Filter in den Lichtübertragungswegen 17 und 18 anzuordnen.

Durch Vergleichen der durch die Photodetektoren 20 und 21 erzeugten Signale, und zwar auf optischem Wege mit Hilfe von Anzeigegeräten, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, oder unter Benutzung von Schaltungen bekannter Art nach Fig. 1, kann man den Pegel des durch die Probe 15 reflektierten Lichtes bei der durch das Filter 25 bestimmten Wellenlänge genau ermitteln. Dann kann man diesen Wert mit einem Wert vergleichen, der mit Hilfe eines Reflexionsnormals bestimmt worden ist, um das prozentuale Reflexionsvermögen der Probe zu erhalten. Die Einrichtung 20 dient bei dem beschriebenen Spektrophotometer zur Messung der absoluten Lichtintensität.

In manchen Anwendungsfällen ist es erwünscht, die Vorrichtung so auszugestalten, daß das zu dem Bezugsphotodetektor 20 gelangende Licht nicht durch ein Filter geleitet wird, d.h. daß in dem Lichtweg 17 kein Filter angeordnet ist. Hierbei kann der Photodetektor 20 im wesentlichen die gesamte Lichtmenge messen, die für die zu untersuchende Probe zur Verfügung steht.

SQ9839/1022

50 284

Durch Wählen eines geeigneten Filters, das in dem Lichtweg 18 angeordnet wird, und durch Messen der von der Probe abgegebenen Lichtmenge ist es möglich, zwischen den Ausgangssignalen der beiden Photodetektoren ein solches Verhältnis zu erhalten, daß sich das gewünschte Ergebnis erzielen läßt.

Die kurze Dauer der von der Lichtquelle 12 abgegebenen Lichtimpulse macht es erforderlich, Spitzenwerte zu ermitteln und sie hinreichend lange festzuhalten, damit die erforderliche Messung durchgeführt werden kann. Eine geeignete Möglichkeit, die Ausgangssignale der Photodetektoren zu verarbeiten, besteht darin, die Signale mit Hilfe von Verstärkern 42 und zu verstärken und mit Hilfe der verstärkten Signale zwei Spitzendetektor- und Halteschaltungen 44 und 45 zu betätigen. Die so gewonnenen Signale können in einer Teilungsschaltung 46 miteinander vereinigt werden, so daß ein Verhältnis bzw. ein Quotient gemessen wird, woraufhin das resultierende Signal unter Anwendung eines beliebigen von mehreren bekannten Verfahren einer Anzeigeeinrichtung 50 zugeführt wird. Beispielsweise kann man einem Widerstands-Spannungsteilernetzwerk, das gewöhnlich als binäres Leiternetzwerk bezeichnet wird, das Ausgangssignal des Spitzendetektors für das Bezugssignal über den Bezugssignaleingang zuführen. Dann wird das Leiternetzwerk schrittweise verstellt, bfc die Ausgangsspannung des Leiternetzwerks gleich der Signalspannung für die Probe ist. Hierbei werden logische Schaltungen verwendet, um die schrittweise Annäherung bei dem Leiternetzwerk zu steuern. Der Endzustand des Leiternetzwerks bestimmt dann die Dämpfung, die erforderlich ist, um das Bezugssignal gleich dem Signal für die Probe zu machen. Der resultierende digitale Verhältnis wert kann dann mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung 50 in der gewünschten Weise dargestellt oder aufgezeichnet werden.

Das Spektrophotometer 10 nach Fig. 1 kann gemäß Fig. 2 auch benutzt werden, um die Lichtdurchlässigkeit zu messen, Zu die-

809839/1022

50 284

sem Zweck ist das Gehäuse 2 mit zylindrischen Kanälen 27, 30 und 31 versehen; der Kanal 27 mündet in radialer Richtung in der Integrationskugel 13, während der Kanal 31 an einer Seitenwand in der Kammer 29 mündet. Gemäß Fig. 2 sind an den Schnittpunkten der Kanäle 27 und 30 sowie der Kanäle 30 und 31 Spiegel 35 und 36 angeordnet, die zusammen mit den Kanälen einen allgemein U-förmigen Teil eines Lichtübertragungswegs 32 bilden. Gemäß Fig. 2 durchsetzt der Kanal 31 eine Aussparung 34, in der sich eine Küvette 33 befindet, so daß an einer zweiten Probenstation eine Probe aufgenommen werden kann.

Soll die Vorrichtung 10 benutzt werden, um die Lichtdurchlässigkeit zu messen, ersetzt man den Einschub 28 nach Fig. durch den Einschub 29 nach Fig. 2. Der Einschub 29 weist einen zylindrischen Kanal 6a auf, der sich gleichachsig mit dem Kanal 5 anordnen läßt. Jedoch ist der Kanal 8 des Einschubs 28 bei dem Einschub 29 durch zwei rechtwinkelig zueinander verlaufende, miteinander verbundene Kanäle 38 und 47 ersetzt, an deren Kreuzungspunkt ein Spiegel 37 angeordnet ist, um das sich längs des Weges 32 fortpflanzende Licht dem Photodetektor 21 zuzuführen. Wird der Einschub 29 benutzt, kann kein Licht von der Integrationskugel 13 aus längs des Weges 18 zu dem Photodetektor 21 gelangen.

Die Spiegel 35, 36 und 37 reflektieren vorzugsweise an ihren Außenflächen, d.h. ihre Außenflächen sind mit Aluminium beschichtet, damit jeweils eine maximale Lichtmenge längs des Weges 32 weitergeleitet wird. Die Wände der Kanäle 38, 31, 30 und 27 sind vorzugsweise mit einem mattschwarzen Anstrich oder Überzug versehen, damit sich längs des Weges 32 nur eine möglichst kleine Menge an äußerem, nicht parallelgerichtetem Licht fortpflanzt.

Die Küvette 33 kann aus einem beliebigen geeigneten Material wie Glas, Quarz oder Kunststoff, z_oB. einem Acrylharz, beste-

609839/1022

50 284

hen, welches das sich längs des Weges 32 fortpflanzende Licht nur in einem minimalen Ausmaß zurückhält. Die Küvette dient zum Aufnehmen einer Probe 39 eines Mediums, dessen Lichtdurchlässigkeit gemessen werden soll. Wird das Spektrophotometer zur Messung der Lichtdurchlässigkeit benutzt, wird die Probenöffnung 14 mittels ein-es Stopfens 40 verschlossen, dessen innere Stirnfläche 41 vorzugsweise ein ähnlich hohes Reflexionsvermögen besitzt wie die Innenfläche der Integrationskugel 13.

Bei der Benutzung des Spektrophotometers 10 nach Fig. 2 zur Messung der Lichtdurchlässigkeit pflanzt sich Licht von der Integrationskugel 13 aus längs des Weges 17 zu dem Photodetektor 20 und längs des Weges 32 zu dem Photodetektor 21 fort. Längs des Weges 32 durchläuft das Licht die Küvette 33 und die Probe 39, und das zu dem Photodetektor 21 gelangende Licht wird mit dem zu dem Bezugsphotodetektor 20 gelangenden Licht verglichen. Durch Vergleichen des Verhältnisses zwischen den AusgangsSignalen der Photodetektoren 20 und 21 mit einem Wert, der sich ergibt, wenn die Küvette 33 destilliertes Wasser enthält, kann man die prozentuale Lichtdurchlässigkeit ermitteln.

Natürlich könnte man ggf. anstelle der beiden Einschübe 28 und 29 einen nicht dargestellten Doppelzweck-Einschub benutzen. Ein solcher Einschub könnte so ausgebildet sein, daß dann, wenn er sich in der Kammer 3 in einer bestimmten Gebrauchsstellung befindet, seine Querschnittsform in der senkrechten Ebene von Fig. 1 und 2 die gleiche ist wie bei dem dargestellten Einschub 28, und daß dann, wenn er in der Kammer in eine zweite Gebrauchsstellung gebracht wird, z.B. durch Drehen oder auf andere Weise, die Querschnittsform in der senkrechten Ebene die gleiche ist wie bei dem Einschub 29 nach Fig. 2. Somit würde es zum Umstellen des Spektrophotometers 10 von der Messung des ReflexionsVermögens zur Messung

809839/1022

50 284

1t

der Lichtdurchlässigkeit nur erforderlich sein, den Doppelzweck-Eins chub aus der einen Gebrauchsstellung in die andere zu bringen, statt den Einschub 28 in der beschriebenen Weise durch den Einschub 29 zu ersetzen.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung, die es je nach der zu untersuchenden Probe ermöglicht, entweder das Reflexionsvermögen oder die Lichtdurchlässigkeit zu messen. In Fig. 3 sind Teile, die in Fig. 1 und 2 dargestellten Teilen entsprechen, jeweils mit den gleichen Bezugszahlen unter Beifügung des Buchstabens a bezeichnete Das Spektrophotometer 10a nach Fig. 3 ähnelt dem Spektrophotometer 10 nach Fig. 1 und 2, abgesehen davon, daß sich das Licht sowohl beim Messen des ReflexionsVermögens als auch beim Messen der Lichtdurchlässigkeit längs der gleichen Wege 1?a und 18a fortpflanzt. Fig. 3 veranschaulicht die Messung der Licht= durchlässigkeit einer Probe 39a in einer Küvette 33a, welche in einer Vertiefung 34a angeordnet ist, die von dem Lichtweg 18a durchsetzt wird. Soll das Reflexionsvermögen gemessen werden, wird die Küvette 33a aus der Vertiefung 34a entfernt» und der Stopfen 40a wird durch eine nicht dargestellte reflektierende Probe ersetzt. Somit ist es bei der Ausführungsform nach Fig. 3 nicht erforderlich, irgendwelche Ein-Schübe auszuwechseln; hierdurch verringern sich die Herstellungskosten, und es ist für eine gute Parallelrichtung des Lichtes gesorgt, das zu den Lichtfühleinrichtungen bzw. Photodetektoren 20a und 21a gelangt.

Die Signale der Photodetektoren 20a und 21a können gemäß Fig. 3 von Anzeigegeräten 51 und 52 abgelesen werden, denen die Ausgangssignale über Verstärker 42a und 43a sowie Spitzendetektor- und Halteschaltungen 44a und 45a zugeführt werden.

Gemäß Fig. 3 verläuft der Lichtübertragungsweg 18a nicht wie bei der Anordnung nach Fig. 1 durch ein kegelstumpfförmiges

809839/1022

50 284

Rohr 7, sondern durch ein zylindrisches Rohr 47. Anstelle des einzigen Filters 25 nach Fig. 1 sind gemäß Fig. 3 getrennte Filter 48 und 49 vorhanden, die in den Lichtweg 17a bzw. 18a eingeschaltet sind.

Fig. 4 zeigt eine weitere, jedoch weniger bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Teile, die in Fig. und 2 dargestellten Teilen entsprechen, jeweils mit den gleichen Bezugszahlen unter Beifügung des Buchstabens b bezeichnet sind. Das Gehäuse 2b der Vorrichtung 10b ist mit einer im wesentlichen kugelförmigen Kammer bzw. einem reflektierenden Lichtquellengehäuse 58 versehen, von dem zylindrische Kanäle 5b und 66 in radialen Richtungen ausgehen. Der Kanal 66 endet an einer Öffnung 14b zum Aufnehmen einer Probe, und ein zylindrischer Kanal 68 erstreckt sich von dieser Öffnung zu einem Kanal 67, der allgemein parallel zu dem Kanal 5b verläuft; gemäß Fig. 4 ist an der Verbindungsstelle zwischen den Kanälen 68 und 67 ein Spiegel 70 mit einer reflektierenden Außenfläche angeordnet. Die Lichtquelle 12b ist in der Kammer 58 so angeordnet, daß die Kammer nicht in erster Linie die Lichtverteilungsaufgabe der Integrationskugeln 13 und 13a nach Fig. 1 bis 3 erfüllt. Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird eine Diffusion des Lichtes durch Diffusionselemente 60 und 61 herbeigeführt, die nahe der Kammer 58 in den Kanälen 5b und 66 angeordnet sind, aus mattiertem Glas, Zelluloseacetat ο.dgl. bestehen können und dazu dienen, das von der Lichtquelle 12b aus in die Kanäle 5b und 66 eintretende Licht zu streuen. Die Wände der Kanäle 5b, 66, 68 und 67 sind mit einem mattschwarzen Anstrich versehen, so daß sie das Streulicht schlucken, das von den Diffusionselementen 60 und 61 aus in die Kanäle eintritt. Ebenso wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 3 bewirkt die Diffusion des Lichtes der Lichtquelle und die Absorption des Streulichtes in den Lichtübertragungskanälen eine Verringerung der Intensität des von der Lichtquelle aus durch die

809839/1022

50 284

Kanäle fallenden Lichtes, da sich längs der Achsen der Kanäle im wesentlichen nur parallel gerichtete Strahlen fortpflanzen können.

Beim Gebrauch des Spektrophotometers 10b nach Fig. 4 wird ein Probestreifen 15b über der Öffnung 14b angeordnet, so daß das Licht der Lichtquelle 12b auf die Probe fällt, nachdem es das Diffusionselement 61 durchlaufen hat. Das durch die Probe reflektierte Licht pflanzt sich längs des Weges 18b in den Kanälen 68 und 67 fort, um nach dem Passieren des Filters 25b zu dem Photodetektor 21b zu gelangen. Außerdem gelangt Licht von der Lichtquelle 12b aus durch das Diffusionselement 60, längs des Lichtweges 17b und über das Filter 25b zu dem Photodetektor 20. Man erhält den Wert des Reflexionsvermögens der Probe, indem man das durch den Detektor 21b gefühlte Licht mit dem durch den Detektor 20b gefühlten Licht vergleicht, wie es weiter oben beschrieben ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere, jedoch ebenfalls weniger bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der Teile, die in Fig. 1 und 2 dargestellten Teilen entsprechen, jeweils mit den gleichen Bezugszahlen unter Beifügung des Buchstabens c bezeichnet sind. Das Gehäuse 2c des Spektrophotometers 10c nach Fig. 5 ist mit einer Kammer bzw. einem parabolischen reflektierenden Lichtquellengehäuse 59 versehen, in dem eine Lichtquelle 12c angeordnet ist. Parallele zylindrische Kanäle 5c und 47c verlaufen allgemein parallel zur Richtung der Lichtstrahlen, die durch die Lichtquelle 12c erzeugt und durch die parabolische Innenfläche der Kammer 59 zurückgeworfen werden; die Kanäle sind gleichachsig mit zugehörigen Photodetektoren 20c und 21c angeordnet, und das Licht der Lichtquelle 12c wird ihnen über ein einziges Diffusionselement 62 zugeführt. Der Kanal 47c durchsetzt eine Küvette oder Probenzelle 33c, die in einer dazu passenden Öffnung 34c des Gehäuses 2c angeordnet ist. Die Küvette dient zum Auf-

809839/1022

50 284

nehmen eines die Probe bildenden Mediums 39c, dessen Lichtdurchlässigkeit gemessen werden soll.

Beim Gebrauch der Vorrichtung nach Fig. 5 tritt das Licht der Lichtquelle 12c in die Kanäle 5c und 47c ein, nachdem es das Diffusionselement 62 durchlaufen hat, und es pflanzt sich längs der Wege 17c und 32c in Richtung auf die Lichtdetektoren 20c und 21c fort, wobei das Licht längs des Weges 32c auch durch die Probe 39c geleitet wird. Um den Wert der Lichtdurchlässigkeit der Probe 39c zu erhalten, vergleicht man das durch den Photodetektor 21c gefühlte Licht mit dem durch den Photodetektor 20c gefühlten Licht in der weiter oben beschriebenen Weise. Ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bewirkt das Diffusionselement 62 in Verbindung mit dem schwarzen Anstrich der Wände der Kanäle 5c und 47c, daß von der Lichtquelle 12c aus im wesentlichen nur parallelgerichtetes Licht in Richtung der Achsen der Kanäle zu den Photodetektoren gelangen kann, und daß die Intensität des Lichtes verringert wird.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist die eingangs genannte Erfindungsaufgabe gelöst wordei. Die bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spektrophotometer ermöglichen es, sowohl das Reflexionsvermögen als auch die Lichtdurchlässigkeit von Proben zu messen. Die Vorrichtungen haben ein geringes Gewicht und sind raumsparend ausgebildet. Die Spektrophotometer arbeiten mit einer sehr hohen Genauigkeit und können von nahezu ungeschultem Personal benutzt werden, da jeweils eine Lichtquelle in Form einer Blitzröhre benutzt wird, um einen kurzen, äußerst hellen Lichtimpuls zu erzeugen, der durch die reflektierenden Wände einer Integrationskugel oder eines Lichtquellengehäuses gestreut wird. Die Benutzung der Blitzlichtröhren führt nicht nur dazu, daß im wesentlichen keine Probleme bezüglich der Wärmeabfuhr auftreten, sondern auch zu einer erheblichen Verringerung des Energiebedarfs.

809839/1022

50 284

Wie erwähnt, wird bei den bekannten, kontinuierlich arbeitenden Lichtquellen die abführbare Energiemenge durch physikalische Faktoren begrenzt, und außerdem verdampfen die Elektroden schnell, so daß die Lampen nur eine kurze Lebensdauer erreichen.

Im Gegensatz hierzu ermöglicht die Erfindung einen Betrieb mit hoher LichtintensUät, wobei gleichzeitig nur eine geringe mittlere Leistungsaufnahme benötigt wird. Außerdem kommt man mit einer minimalen Belichtung lichtempfindlicher Proben aus. Ferner wird eine Lichtquelle benutzt, bei der es nicht erforderlich ist, Rücksicht auf die Umgebungsbeleuchtung zu nehmen. Daher lassen sich die erfindungsgemäßen Spektrophotometer als bequem zu handhabende, leicht zu transportierende und relativ billige Geräte ausbilden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es sich bei den erfindungsgemäß verwendeten Lichtfühleinrichtungen um Festkörper-Silizium-Photodioden handelt, die im Gegensatz zu Photoelektronen-Vervielfacherröhren, wie sje bis jetzt gebräuchlich sind, zu einer erheblichen Verringerung der Drift, des Rauschens und der Nichtlinearität führen.

Die Vorrichtungen nach der Erfindung sind insbesondere geeignet, das Reflexionsvermögen von zum Eintauchen und Ablesen bestimmten Reagenzstreifen zu messen, um bei Urinproben das Vorhandensein verschiedener Bestandteile wie Glucose, verborgener Blutkörperchen, Ketone, Protein und Bilirubin nachzuweisen.

809839/10 2-2

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

i.j Spektrophotometer, gekennzeichnet urch eine Lichtquelle (12) zum kurzzeitigen Erzeugen von hellem Licht zum Beleuchten einer an einer Probenstation angeordneten Probe (15), eine Einrichtung (21) zum Fühlen des von der Probe kommenden Lichtes, eine Einrichtung (20) zum Fühlen von Bezugslicht, Einrichtungen zum Abgrenzen eines ersten Lichtübertragungsweges (18), längs dessen von der Probe kommendes Licht zu der zugehörigen Lichtfühleinrichtung gelangt, Einrichtungen zum Abgrenzen eines zweiten Lichtübertragungsweges (17), längs dessen von der Lichtquelle kommendes Licht zu der Bazugslicht-Fühleinrichtung gelangt, sowie eine Filtereinrichtung (25), die mindestens in einem der beiden genannten Lichtübertragungswege angeordnet ist und Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 200 und etwa 1100 nm durchläßt»
2. Spektrophotometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen der Lichtquell® (12) und der Probe (15) sowie zwischen der Lichtquelle und der Bezugslicht-Fühleinrichtung (20) angeordnete Lichtstreueinrichtung (13)»
3. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen ₉ die den ersten und den zweiten Lichtübertragungsweg (18_S 17) abgrenzen₉ mit Einrichtungen versehen sind, die gewährleisten^ daß im wesentlichen nur parallelgerichtete Strahlen weitergeleitet werden_o
4. Spektrophotometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (42 - 46) zum Vergleichen des durch die der Probe zugeordnete Lichtfühleinrichtung (21) gefühlten Lichtes mit dem durch die Bezugslicht-Fühleinrichtung (20) gefühlten Licht.

109839/102

284

- 2 τ
5. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) geeignet ist, eine Lichtintensität von mindestens 5000 K während einer Zeitspanne von etwa 1 Mikrosekunde bis etwa 100 Mikrosekunden zu erzeugen.
6. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenlicht- und Bezugslicht-Fühleinrichtungen (21, 20) als Festkörper-Silizium-Photodioden ausgebildet sind.
7. Spektrophotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Lichtstreueinrichtung um mindestens ein durchscheinendes Element (60, 61) handelt.
8. Spektrophotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstreueinrichtung durch eine Licht reflektierende Integrationskugel/gebildet ist.
9. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtübertragungsweg (18) so angeordnet ist, daß er durch die Probe (15) reflektiertes Licht der Probenlicht-Fühleinrichtung (21) zuführt.
10. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtübertragungsweg (32) so angeordnet ist,daß er Licht, das die Probe (39) durchlaufen hat, der Probenlicht-Fühleinrichtung (21) zuführt.
11. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abgrenzen des ersten Lichtübertragungsweges (18) eine Betriebsweise zum Messen des Reflexionsvermögens ermöglichen, bei der das durch die Probe (15) reflektierte Licht der Probenlicht-Fühleinrichtung (21) zugeführt wird, und daß die genannten Einrichtungen einen weiteren ersten Lichtübertragungsweg (32) abgrenzen,

50 284

der eine alternative Betriebsweise ermöglicht, bei der durch eine Probe (39) fallendes Licht der Probenlicht-Fühleinrichtung zugeführt wird«,
12. Spektrophotometer nach Anspruch 2₉ gekennzeichnet durch einen an der Probenstation angeordneten durchsichtigen Behälter (33; 33a; 33c) zum Aufnehmen einer flüssigen Probe, wobei der erste Lichtübertragungsweg (32; 18a; 32c) so angeordnet ist, daß durch die Probe fallendes Licht der Proben= licht-Fühleinrichtung (21; 21a; 21c) zugeführt wird.
13. Spektrophotometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine an der Probenstation angeordnete Probe (15) innerhalb der Integrationskugel (13) belichtet wird, so daß durch die Probe reflektiertes Licht längs des ersten Lichtübertragungsweges (18) weitergeleitet wird.
14. Spektrophotometer nach Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (25) Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 300 und etwa 725 nm durchläßt,,
15. Spektrophotometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (25) Licht mit einer Wellenlänge von etwa 250 bis etwa 800 nm durchläßt„
16. Spektrophotometer, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (12) zum Erzeugen einer Lichtintensität von mindestens 5000^cK während einer Zeitspanne von etwa 1 Mikrosekunde bis etwa 100 Mikrosekunden, um eine an einer Probenstation angeordnete Probe (15, 39) zu beleuchten, eine Integrationskugel (13) zum gleichmäßigen Verteilen des Lichtes der Lichtquelle, herausnehmbare erste und zweite Lichtfühleinrichtungen (20, 21), Einrichtungen zum Abgrenzen getrennter Lichtübertragungswege (17, 18) zum Zuführen von Licht von der Integrationskugel zu der ersten Lichtfühleinrichtung bzw*

.809839/1022

284

zum Zuführen von Licht von der Probe zu der zweiten Lichtfühleinrichtung, eine in mindestens einem der Lichtübertragungswege angeordnete Filtereinrichtung (25), die Licht mit einer Wellenlange von etwa 200 bis etwa 1100 na durchlaßt, sowie Einrichtungen (42 - 46) zum Vergleichen des durch die zweite Lichtfühleinrichtung gefühlten Lichtes mit dem durch die erste Lichtfühleinrichtung gefühlten Licht.
17. Spektrophotometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung (25) in dem Lichtübertragungsweg (18) zwischen der Probe (15) und der zugehörigen Lichtfühl einrichtung (21) angeordnet ist, um Messungen des durch die Probe reflektierten Lichtes bei einer Wellenlänge zwischen etwa 300 und etwa 725 nm zu ermöglichen,
18. Spektrophotometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung (25) in dem Lichtübertragungsweg (18) zwischen der Probe (15) und der zugehörigen Lichtfühleinrichtung (21)angeordnet ist, um Messungen des durch die Probe geleiteten Lichtes bei einer Wellenlange zwischen etwa 250 und etwa 800 nm zu germöglichen.
19. Vorrichtung zur quantitativen photometrischen Messung von Farbreflexions- oder Farbdurchlässigkeitswerten einer Probe, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (12) zum Erzeugen einer Lichtintensität von mindestens 5000"⁵K während einer Zeitspanne von etwa 1 Mikrosekunde bis etwa 100 Mikrosekunden, eine Einrichtung (13) zum Steuen des Lichtes der Lichtquelle und zum Beleuchten der Probe (15, 39) mit dem gestreuten Licht, !Einrichtungen zum Abgrenzen eines ersten Lichtübertragungsweges (17) für das von der Lichtstreueinrichtung komaende Licht, eine in dem ersten Lichtübertragungsweg angeordnete erste Filtereinrichtung mit einer maximalen Lichtdurchlässigkeit bei einer gewählten Wellenlänge zwischen etwa 200 und etwa 1100 nm, eine nahe der ersten Filter-

£09839/102$

ÖO 284

einrichtung angeordnete erste Lichtfühleinrichtung (20) zum Nachweisen von Licht, das sich längs des ersten Lichtübertragungsweges und durch die erste Filtereinrichtung hindurch fortgepflanzt hat, eine zweite Lichtfühleinrichtung (21), Einrichtungen zum Abgrenzen eines zweiten Lichtübertragungsweges (18, 32), wobei diese Einrichtungen so betätigbar sind, daß sie es ermöglichen, der zweiten Lichtfühleinrichtung wahlweise gestreutes Licht, das durch die Probe (15) reflektiert wordei/ist, oder gestreutes Licht, das durch die Probe (39) hindurchgeleitet worden ist, zuzuführen, eine in dem zweiten Lichtübertragungsweg angeordnete zweite Filtereinrichtung mit einer maximalen Lichtdurchlässigkeit bei der gleichen Wellenlänge wie die erste Filtereinrichtung, wobei die zweite Filtereinrichtung nahe der zweiten Lichtfühleinrichtung angeordnet ist, sowie Einrichtungen (42 - 46) zum Vergleichen des von der ersten Lichtfühleinrichtung aufgenommenen Lichtes mit dem von der zweiten Lichtfünleinrichtung aufgenommenen Licht.

109839/1022