DE2902776C2

DE2902776C2 -

Info

Publication number: DE2902776C2
Application number: DE2902776A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamamoto; Yoshikazu Kyoto Jp Furutani
Original assignee: Kyoto Daiichi Kagaku KK
Current assignee: Arkray Inc
Priority date: 1978-01-25
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1987-11-19
Also published as: IT7919605A0; GB2013334A; GB2013334B; JPS54100794A; FR2415803A1; JPS591977B2; FR2415803B1; DE2902776A1; CA1127865A; IT1110372B; US4373818A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur photometrischen Auswertung von Indikatorpapieren nach den Übergriffen der Ansprüche 1 und 2.

Qualitative und quantitative Analysen, die mit Indikator- bzw. Testpapieren vorgenommen werden, werden bei klinischen und chemischen Untersuchungen, wie der Bestimmung der chemischen Bestandteile des Blutes, Harnuntersuchungen und dergleichen, wegen ihrer einfachen und leichten Durchführbarkeit angewendet. Sie werden insbesondere in solchen Fällen gern herangezogen, in denen die Bestimmung keine Verzögerung gestattet oder in der zur Verfügung stehenden Zeit eine große Anzahl von Bestimmungen durchgeführt werden muß. Durch Inaugenscheinnahme kann jedoch das Papier nur durch Vergleich mit Standardfarbmustern ausgewertet werden, so daß diese Methode daher nur für qualitative Analysen oder bestenfalls für rohe quantitative Analysen geeignet ist. Um die Genauigkeit der quantitativen Analyse zu verbessern, ist es unvermeidlich, Analysiergeräte (Reflexionsgeräte) zu benutzen, welche den Farbton des Testpapiers photoelektrisch messen. In den letzten Jahren sind daher, zusammen mit der Entwicklung und Verbesserung neuer Testpapier-Typen, Analysatoren verschiedener Arten vorgeschlagen worden, mit denen sich quantitative Analysen von zu bestimmenden Stoffen einfach und schnell durchführen lassen.

Diese bis jetzt zur Verfügung stehenden Analysiergeräte beruhen auf einer direkten Meßmethode, bei der die Änderung der Reflexion des Testpapiers photoelektrisch aufgefangen, ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und dieses durch Hinzuziehung einer Eichkurve in die Konzentrationsdifferenz umgewandelt wird. Diese Methode ist jedoch immer noch relativ ungenau und anderen Verfahren, beispielsweise Titrationsverfahren, unterlegen.

Das Prinzip, nach welchem diese Analysiergeräte arbeiten, beruht auf der Tatsache, daß das Reflexionsspektrum des gefärbten Indikatorpapiers in Abhängigkeit von den Konzentrationen Y₁, Y₂, Y₃ der bestrahlten Substanz in der zu untersuchenden Flüssigkeit variiert, wie in Fig. 1 gezeigt. Das Licht einer geeigneten Wellenlänge, insbesondere der Wellenlänge (oder einer in der Nähe davon liegenden Wellenlänge λ₀ in Fig. 1, dessen Reflexion sich deutlich mit der Konzentration ändert, wird ausgewählt. Die Änderung der Reflexion des Indikatorpapiers bei dieser Wellenlänge wird photoelektrisch erfaßt und angezeigt, indem sie anhand des in Fig. 2 der Eichkurve dargestellten Zusammenhangs Reflexion zu Konzentration, erhalten aus den Farbcharakteristika des Indikatorpapiers, in die Konzentration umgewandelt wird.

Außer diesen Analysiergeräten wird häufig ein Gerät verwendet, das mit einer Integrationskugel versehen ist, die die von der Reflexionsfläche reflektierte Strahlung effektiv messen kann. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Analysiergerätes mit einer solchen Integrationskugel. Das Licht von der Lichtquelle 2, die auf dem oberen Teil der Integrationskugel 1 angebracht ist, gelangt an ein Filter 3, das bestimmte Strahlungsanteile hindurchläßt, welche als Licht einer definierten Wellenlänge das Indikatorpapier 5, das unter dem Probenfenster 4 des unteren Teils der Integrationskugel liegt, bestrahlt. Von der Oberfläche des Indikatorpapiers 5 wird eine Lichtmenge reflektiert, die dem Grad der Färbung des Testpapiers 5 entspricht. Dieses reflektierte Strahlenbündel wird in das Innere der Integrationskugel 1 diffus reflektiert und bestrahlt einen optischen Detektor 6, der auf der Seitenfläche der Integrationskugel vorgesehen ist.

Die Ausgangssignale des optischen Detektors, die der vom Detektor erfaßten reflektierten Strahlung entsprechen, werden über einen Verstärker einem Meßgerät 8 zugeführt, das mit einer Skala zum direkten Ablesen der Konzentration versehen ist. Zum Messen der Reflexion muß ein Bezugssignal erstellt werden. Damit wird eine relative Reflexion durch Vergleich der Größe des Bezugssignales mit der Größe der vom zu messenden Objekt reflektierten Strahlung erhalten. Das in das Meßgerät 8 eingehende Signal basiert auf dieser relativen Reflexion. Es gibt verschiedene Wege zur Einstellung bzw. Festlegung des Bezugssignales, s. B. gibt man elektrisch ein Voraus-Bezugssignal ein, oder man sieht einen reflektierenden Vergleichsstandard vor, um die von diesem reflektierte Strahlungsmenge zu speichern und bei der Messung als Bezugssignal zu verwenden.

Bei derartigen, mit einer Integrationskugel arbeitenden Geräten tritt jedoch eine Reihe von Problemen auf:

1. Die Geräte sind so gebaut, daß sie auf photoelektrischem Weg die Änderung der Reflexion erfassen. Folglich ist es schwer, sie vor dem Auftreten von Dunkelströmen im optischen Detektor 6 und den Offset-Spannungen im Verstärker zu schützen.

2. Das Innere der Integrationskugel 1 wird schnell mit Faserglocken des Indikatorpapiers, Staub von außen oder Flüssigkeit aus der zu analysierenden Probe bedeckt. Dadurch wird das Streuvermögen der Integrationskugel verändert.

Um diesen Nachteil zu beheben, hat man zu der Maßnahme gegriffen, eine transparente Platte 9, z. B. Tafelglas, an dem Probefenster 4 anzubringen, um das Eindringen von Staub und dergleichen in das Innere zu verhindern, und die Außenseite der transparenten Platte 9 vor der Messung abzuwischen.

Die Vorsehung einer solchen transparenten Platte 9 auf dem Probefenster 4 bringt den Nachteil mit sich, daß ein Teil des Lichtes durch die transparente Platte 9 selbst reflektiert und zu innerer Streustrahlung wird, die den optischen Detektor 6 erreicht. Selbst bei Messung eines Objektes einer Reflexion von Null wird daher die reflektierende Strahlung unter dem Einfluß der inneren falschen oder Streustrahlung nicht Null. Das führt dazu, daß die Eichkurve der reflektierenden Strahlung angesichts der tatsächlichen Reflexion nicht den Nullpunkt durchläuft. Diese innere Streustrahlung schwankt in Abhängigkeit von der Neigung der transparenten Platte 9 zur optischen Achse des Strahleneinfalls oder in Abhängigkeit von der Streuung des einfallenden Lichtstrahles. Es besteht dabei die Möglichkeit, daß verschiedene Vorrichtungen jeweils unterschiedliche Werte ergeben, selbst von Proben gleicher Reflexion, wie in Fig. 4 gezeigt. In dieser Figur bedeuten R₀ die tatsächliche Reflexion des Vergleichsstandards und die Ordinate gibt die relative Reflexion, angepaßt an die Reflexion R₀ = 100 wieder. Die Eichkurve geht im Fall der Vorrichtung M 1 ohne innere Streustrahlung durch den Nullpunkt, während sie im Fall der Vorrichtungen M 2 und M 3, welche innere Streustrahlung aufweisen, vom Nullpunkt abweichen.

Abgesehen von der mit der transparenten Platte zusammenhängenden Streustrahlung gibt es weitere Arten von Streustrahlung, die von der Reflexion durch die Innenteile des optischen Systems herrühren, z. B. dem Umfangsbereich des Probefensters oder der Abschirmplatte. Die innere Streustrahlung, die von den zuletzt genannten Teilen verursacht wird, kann bis zu einem gewissen Grad ausgeschlossen werden, wenn nur die Gestalt und Struktur des optischen Systems entsprechend ausgestaltet werden. Nur der nicht beseitigbare Rest davon wird gleichsam wie ein Instrumentenfehler belassen, wie im vorerwähnten Fall der inneren Streustrahlung. Folglich wird die Eichkurve Reflexion zu Konzentration auf der Basis von Daten aufgestellt, die beim derzeitigen Stand der Technik von der inneren Streustrahlung beeinflußt sind. Dies führt zu einem Instrumentenfehler der einzelnen Geräte, der die genaue Analyse mit Indikatorpapier verhindert.

Die Umwandlung der auf diese Weise erhaltenen relativen Reflexion in den direkt ablesbaren Konzentrationswert wird allgemein so durchgeführt, daß die Reflexion auf dem Meßgerät 8, dessen Skalenplatte 10 mit einer nicht linearen, direkt ablesbaren Skala in Analogform versehen ist, angezeigt wird, wie in Fig. 3 gezeigt. Es gibt auch eine andere Methode, bei der die Größe des Bezugssignals mit der des Meßsignals verglichen und das Meßsignal so korrigiert wird, daß beide Signale einander gleich sind. Die Größe der Korrektur ergibt sich aus dem Drehwinkel an einem Potentiometer, und die Konzentration wird mit Hilfe der um das Potentiometer vorgesehenen Skalenplatte abgelesen.

In jedem der vorstehend beschriebenen Fälle müssen jedoch die Skalenplatten mit den entsprechenden Indikatorpapiersorten, die zu prüfen sind, zusammenpassen. Demgemäß sollten, wenn die innere Streustrahlung und die Offset-Spannung unterschiedliche Werte annehmen, verschiedene Arten von Skalenplatten an den einzelnen Geräten vorgesehen werden. Gewöhnlich sind alle Gerätearten mit nur einer Art von Skalenplatte mit einer einzigen Graduierung, entsprechend einer zu messenden Probe, versehen. So ist es unvermeidlich, daß die Geräte voneinander verschiedene Instrumentenfehler in bezug auf die Messung der Reflexion haben.

3. Angenommen, es könnte ein Gerät ohne irgendeinen Instrumentenfehler zur Messung der Reflexion hergestellt werden, so ist es auf jeden Fall unmöglich, Indikatorpapier herzustellen, bei dem das Reflexionsvermögen wellenlängenneutral ist. Es ist auch unvermeidlich, daß die Wellenlänge der Lichtquelle oder anderes Licht in gewissem Maße entsprechend den einzelnen Geräten streut. Wenn die Wellenlänge streut, ändert sich die Konzentrations-Reflexions-Eichkurve, da die Reflexion des Indikatorpapiers abhängig von der Wellenlänge selbst variiert, woraus resultiert, daß Geräte mit Instrumentenfehlern bereitgestellt werden.

Die Fig. 5 und 6 verdeutlichen die gerade festgestellten Punkte. Fig. 5 zeigt die Korrelation zwischen Reflexionsspektren der Indikatorpapiere (für die Konzentrationen Y₁, Y₂, Y₃) und den beiden verschiedenen Wellenlängen λ₀, λ₁, wobei zu erkennen ist, daß die Reflexion streut, wenn es die Wellenlänge tut. Fig. 6 zeigt den Unterschied der Eichkurve von Konzentration zu Reflexion bei den beiden verschiedenen Wellenlängen λ₀ und λ₁ in Fig. 5.

Es treten mehr als einer der vorstehend angeführten Instrumentenfehler bereits bei der Herstellung des Gerätes auf. Aber sogar in ein und demselben Gerät schwankt nicht nur die Helligkeit der Lichtquelle, sondern auch die Wellenlänge schwankt in Abhängigkeit von der Speisespannung oder der Umgebungstemperatur zur Zeit der Herstellung sowie der Verwendung. Das bedeutet, daß sich die Charakteristika des Gerätes im Lauf der Zeit ändern.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 3 sind aus der US-PS 38 74 799 bekannt. Hierbei wird Licht in eine Integrationskugel abgegeben und trifft dabei auf eine Probe, einen ersten Vergleichsstandard und einen zweiten Vergleichsstandard, die innerhalb der Integrationskugel angeordnet sind. Ein Spiegel führt abwechselnd das von der Probe, vom ersten Vergleichsstandard und vom zweiten Vergleichsstandard reflektierte Licht einer lichtelektrischen Empfangseinrichtung zu. Die von dieser Empfangseinrichtung erzeugten elektrischen Signale werden dann in entsprechender Weise verarbeitet und ausgewertet. Dieses bekannte Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung sind mit den vorstehend aufgezeigten Nachteilen behaftet.

Ferner sei noch auf die DE-OS 26 38 398 verwiesen. In dieser Veröffentlichung ist ein Verfahren zum Eichen von Spektralphotometern beschrieben, bei dem ebenfalls ein erster und ein zweiter Vergleichsstandard zur Anwendung gelangen. Hierbei wird jedoch nicht mit Impulslicht gearbeitet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur photometrischen Auswertung von Indikatorpapieren der angegebenen Art zu schaffen, mit dem bzw. der die Auswertung mit besonders hoher Genauigkeit und ohne Instrumentenfehler möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem US-PS 38 74 799 grundsätzlich dadurch, daß mit Impulslicht gearbeitet wird. Zum Ausschalten der angegebenen Fehlerquellen werden einerseits zusätzliche Meßsignale jeweils zwischen zwei Lichtimpulsen der Lichtquelle für das Indikatorpapier und den ersten Vergleichsstandard und andererseits zusätzliche Meßsignale jeweils zwischen zwei Lichtimpulsen der Lichtquelle für den zweiten und ersten Vergleichsstandard bestimmt. Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend beschrieben.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Lichtquelle eine Impulslichtgeberschaltung zugeordnet ist, daß zwischen dem Verstärker und dem A/D-Wandler ein Analogschalter vorgesehen ist und daß der Analogschalter mit einem Potentiometer in Verbindung steht. Bei einer speziellen Ausführungsform sind dem Analogschalter weitere Potentiometer zugeordnet, wobei diese weiteren Potentiometer zweckmäßigerweise entsprechend der Zahl der zu bestimmenden Substanzen in mehreren Sätzen vorgesehen sind. Einzelheiten der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung werden im nachfolgenden Text beschrieben.

Erfindungsgemäß wird das vorstehend unter 1 aufgezeigte Problem dadurch gelöst, daß das Differenzausgangssignal zwischen dem Ausgangssignal während die Lichtquelle aktiv ist und dem Ausgangssignal während die Lichtquelle inaktiv ist, abgegriffen wird, wodurch die Einflüsse von Dunkelströmen im optischen Detektor, der Offset-Spannung im Verstärker oder der äußeren Streustrahlung eliminiert werden.

Das unter 2 aufgeführte Problem wird folgendermaßen gelöst: erstens wird die Größe des Ausgangssignales, das der inneren Streustrahlung zuzuschreiben ist, in jedem Gerät zur Zeit seiner Herstellung in Form des Verhältnisses des inneren Streulichtwertes (D) zur Größe des oben erwähnten Differenzausgangssignales (R _on-R _off) auf dem Vergleichsstandard, dessen Reflexion bekannt ist, gespeichert (Standarddifferenzausgangssignal).

Zweitens: Zur Zeit der Korrektur vor der Messung (Analyse) wird die Größe des Ausgangssignales, das der inneren Streustrahlung (D) zuzuschreiben ist, aus dem oben erwähnten Verhältnis und der Größe des Standarddifferenzausgangssignales zur Zeit der Korrektur berechnet. Dann wird die Größe des inneren Streulichtwertes (D) von der Größe des Standarddifferenzausgangssignales R _on-R _off bzw. der Größe des gemessenen Differenzausgangssignales (des oben erwähnten Differenzausgangssignales des gefärbten Indikatorpapiers) S _on-S _off substrahiert. Diese beiden abgeleiteten Werte stellen die Größe des Standardausgangssignales R und die Größe des gemessenen Ausgangssignales S dar. Schließlich werden die dem Meßgerät zukommenden Charakteristika eingestellt.

Die Erfindung wird nun anhand einer beispielhaften Ausführungsform in Verbindung mit der Zeichnung, in der teilweise der Stand der Technik dargestellt ist, beschrieben.

Es zeigen zur Erläuterung des Standes der Technik die

Fig. 1 ein Diagramm der Reflexionsspektren von durch flüssige Proben verschiedener Konzentration gefärbten Indikatorpapieren;

Fig. 2 ein Diagramm der Konzentrations-Reflexions-Eichkurve bei der Wellenlänge λ₀, erhalten aus den Färbungscharakteristika der Indikatorpapiere der Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Reflexionsgerätes nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 ein Diagramm der Eichkurve der tatsächlichen Reflexion des Vergleichsstandards und der korrigierten relativen Reflexion in Vorrichtungen ohne und mit innerer Streustrahlung;

Fig. 5 ein Diagramm der Reflexionsspektren von durch flüssige Proben verschiedener Konzentrationen gefärbten Indikatorpapieren ähnlich Fig. 1;

Fig. 6 ein Diagramm von Konzentrations-Reflexions-Eichkurven bei den Wellenlängen λ₀ und λ₁, erhalten aus den Färbungen der Indikatorpapiere der Fig. 5;

und zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, die

Fig. 7 ein Blockdiagramm der Vorrichtung;

Fig. 8 und 9 Diagramme, die die Beziehung zwischen den Größen von Standarddifferenzausgangssignal, dem Ausgangssignal, das dem inneren Streulichtwert entspricht, und dem Referenzsignal zeigen, wobei Fig. 8 die Größen zur Zeit der Korrektur vor Gebrauch und Fig. 9 die Größen zur Zeit der Anpassung bei der Herstellung bzw. bei der Korrektur wiedergibt;

Fig. 10-12 Diagramme von Eichkurven, die die Beziehung zwischen der Konzentration der in den Flüssigkeiten zu bestimmenden Substanzen und den Reflexionen der Indikatorpapiere zeigen; Fig. 10 zeigt dies am Beispiel Traubenzucker, Fig. 11 am Beispiel Bilirubin und Fig. 12 am Beispiel Harnstoff-Stickstoff; und

Fig. 13 und 14 Diagramme von Konzentration-Reflexion-Eichkurven, die etwa die Form einer Hyperbel haben.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Analysiergerätes, bei dem die Lichtquelle 2 mittels einer Impulsgeber-Schaltung 11 pulsierendes Licht aussendet. Ob als Lichtquelle eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Wolframfadenlampe mit Filter verwendet wird, ist gleichgültig. Beide haben eine Maximalintensität in der Nähe der Meßwellenlänge, die für die zu messende Substanz geeignet ist. Es ist ferner gleichgültig, ob die Lichtquelle selbst Licht intermittierend aussendet oder ob der Lichtstrahl unterbrochen wird.

Zu Beginn wird ein erster Vergleichsstandard 12 unter einer transparenten Platte 9 an der Unterseite einer Integrationskugel 1 angebracht. Nach Drücken des Korrekturschalters 19 wird der Analogschalter 14 mit dem Verstärker durch den Befehl des Mikrorechners 18 verbunden. Die Größe des Ausgangssignals R _on, während die Lichtquelle 2 aktiv ist, und die Größe des Ausgangssignales R _off, während die Lichtquelle nicht aktiv ist, wird durch den A/D-Wandler 17 in Digitalsignale umgesetzt und im Speicher des Mikrorechners 18 gespeichert. Die Größe des Ausgangssignales R _off bei inaktiver Lichtquelle setzt sich aus den Dunkelströmen im optischen Detektor 6, der Offset-Spannung des Verstärkers 13 und der äußeren Streustrahlung zusammen, deren Einflüsse durch Berechnung der Differenz zwischen der Größe des Ausgangssignales R _on bei aktiver Lichtquelle und der Größe des Ausgangssignales R _off bei inaktiver Lichtquelle, nämlich der Größe des Standarddifferenzausgangssignales, eliminiert werden.

In diesem Signal (R _on-R _off) ist jedoch die Größe des inneren Streulichtwertes D, welcher der Streustrahlung im Inneren der Integrationskugel 1 (in Fig. 8 gezeigt) zuzuschreiben ist, eingeschlossen. Dieser innere Streulichtwert stellt einen Hauptfaktor der Streuungseigenschaften des Gerätes dar. Fig. 8 zeigt, daß durch Subtraktion der Größe D von der Größe R _on-R _off ein Standardausgangssignal bzw. Referenzsignal R gewonnen wird, in dem die Größe D berücksichtigt worden ist.

Bei Subtraktion des inneren Streulichtwertes D von der Größe des Differenzausgangssignales (R _on-R _off), wenn ein Indikatorpapier 5 anstelle des Vergleichsstandards 12 angebracht wird, verbleibt das Ausgangssignal S, wobei S _on und S _off die Größen der Ausgangssignale bei aktiver bzw. inaktiver Lichtquelle zur Zeit der Messung des Indikatorpapiers darstellen.

Nachfolgend wird beschrieben, wie die Größe des inneren Streulichtwertes D ermittelt wird.

Die Größe des inneren Streulichtwertes D der einzelnen Geräte variiert nicht nur in Abhängigkeit vom Winkel, unter welchem die transparente Platte 9 an der Integrationskugel 1 angebracht ist, und dem Material, aus dem sie besteht, z. B. Tafelglas, oder der Form des Inneren der Integrationskugel, sondern auch von der Abweichung der optischen Achse der Lichtquelle 2 und der Lichtmenge. Außerdem schwankt die Größe D sogar bei ein und demselben Gerät, wenn sich die Lichtmenge der Lichtquelle infolge der Speisespannung, der Temperatur oder der Zeitdauer ändert.

Wenn man jedoch bedenkt, daß es keine Änderung in den relativen Positionen der Bauteile des photometrischen Bereichs (z. B. der Integrationskugel 1, der Lichtquelle, des Meßfensters, der transparenten Platte oder des Detektors) zueinander und auch keine Änderung der Reflexionseigenschaften in der Integrationskugel 1 gibt, wenn in ein und demselben Gerät die Lichtintensität mit der Zeit variiert, dann findet eine Änderung der Größe (R _on-R _off) zu der Zeit, zu der der erste Vergleichsstandard gemessen wird, und der Größe des inneren Streulichtwertes D statt, während das Verhältnis K zwischen der Größe D und der Größe des Differenzausgangssignals (R _on-R _off) konstant bleibt.

Angenommen, das Reflexionsgerät ist geeignet eingestellt, dann zeigt es in einem Zustand einen Nullwert an, in dem die Reflexion der Probe Null ist, oder wenn z. B. nichts im Meßbereich des Reflexionsmeßgerätes liegt und dieses intakt im Dunkelraum steht, während es zur Zeit der Messung des ersten Vergleichsstandards einen vorgegebenen Standardwert anzeigt.

Wenn das Reflexionsmeßgerät in dem eben beschriebenen Zustand ist, drückt die Größe des gemessenen Differenzausgangssignals (S _on-S _off) zur Zeit der Messung der Reflexion im Zustand Null genau die Größe des inneren Streulichtwertes D aus. Die Größe des Standarddifferenzausgangssignals (R _on-R _off) ist gleich der Summe der Größe des inneren Streulichtwertes und der Größe R (Fig. 8).

In diesem Fall kann das Verhältnis k der Größe des inneren Streulichtwertes D zur Größe des Standarddifferenzausgangssignals (R _on-R _off) durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Wenn dagegen k schon bekannt ist, dann kann die Größe des inneren Streulichtwertes D durch folgende Gleichung gefunden werden:

Bei mehreren Geräten, auch wenn sie geeignet justiert sind, erscheint sogar bei ein und demselben Vergleichsstandard die Größe des Differenzausgangssignals mit verschiedenen Werten (R _on,1-R _off,1), (R _on,2-R _off,2), (R _on,3-R _off,3) . . ., was auf die Verschiedenheit der Lichtquellen oder der optischen Detektoren in den einzelnen Geräten zurückzuführen ist; auch der Wert des gemessenen Differenzausgangssignales der Reflexion Null, nämlich der Größe des inneren Streulichtwertes D, ergibt D₁, D₂, D₃ . . . In diesem Fall ist k keine allgemeine Konstante, sondern erhält wegen der relativen Positionen von Lichtquelle, optischem Detektor usw. zueinander die unterschiedlichen Größen k₁, k₂, k₃ . . .

Auch in diesem Fall gilt: Wenn der Wert k der einzelnen Geräte bekannt ist, kann D₁, D₂, D₃ separat aufgrund folgender Gleichungen bestimmt werden:

Der Wert k wird dann wie folgt ermittelt: Beginne mit der Herstellung eines zweiten Vergleichsstandards einer anderen Reflexion, bestimme die Reflexion des zweiten Vergleichsstandards im Verhältnis zur Reflexion des ersten Vergleichsstandards in Übereinstimmung mit einem im voraus justierten Reflexionsmeßgerät, nimm dieses Ergebnis als Bezugswert zur Zeit der Bestimmung des Verhältnisses k, finde andererseits die Reflexion des zweiten Vergleichsstandards zur Reflexion des ersten Vergleichsstandards in Übereinstimmung mit einem Hilfsreflexionsmeßgeräts, dessen Verhältnis k unbekannt ist. Wenn ein Potentiometer so eingestellt ist, daß die gefundene Reflexion mit dem oben beschriebenen Bezugswert zusammenfällt, ist der Wert k gefunden.

Übrigens braucht der Reflexionswert des Vergleichsstandards keiner Begrenzung zu unterliegen und er kann irgendeinen geeigneten Wert annehmen unter der Bedingung, daß irgendein gemeinsamer Wert allen Einzelgeräten gemeinsam ist.

Wenn die Lichtintensität der Lichtquelle schwankt, nachdem ein geeigneter Wert für das Verhältnis k in ein und demselben Gerät festgelegt worden ist, ändert sich die Größe des Differenzausgangssignals des Vergleichsstandards vom Wert (R _on-R _off)_reg zur Zeit der ersten Einstellung auf einen Wert (R _on-R _off) im Verhältnis zur Änderung der Lichtintensität, wie in Fig. 9 gezeigt, und die Größe des inneren Streulichtwertes geht ebenfalls von D _reg in D über.

Hierbei hat jedoch das Verhältnis D _reg bzw. D und (R _on-R _off)_reg -bzw. (R _on-R _off) in jedem Fall einen definierten Wert und umgekehrt. Wenn k gespeichert wird, ist es möglich, die Größe des Differenzausgangssignales (R _on-R _off) zur Zeit seiner Korrektur durch den Vergleichsstandard vor der Messung zu finden, und auch die Größe des inneren Streulichtwertes D durch das Verhältnis k.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird der Wert k auf einem Potentiometer 15 variabel gehalten, und nach der Berechnung der Größe des Standarddifferenzausgangssignals (R _on-R _off) wird der Ausgang des Potentiometers 15 im voraus auf einen geeigneten Wert eingestellt und durch Umschalten des Analogschalters 14 in einen Digitalwert umgesetzt. Dann wird das Produkt von k und der Größe des Standarddifferenzausgangssignals (R _on-R _off) durch den Mikrorechner 18 nach folgender Gleichung errechnet:

Die auf diese Weise erhaltene Größe des inneren Streulichtwertes D wird im Mikrorechner 18 gespeichert.

Im nächsten Schritt wird das Indikatorpapier 5, nachdem es mit der zu prüfenden Flüssigkeit bestrichen oder imprägniert worden ist, unter die transparente Platte 9 auf der Unterseite des Integrationskugel gebracht, und der Meßschalter 20 wird betätigt. Dann wird der Analogschalter 14 durch Befehl des Mikrorechners 18 umgeschaltet, und die Größe des Ausgangssignals S _on während eines neuen Lichtimpulses und die Größe des Ausgangssignales S _off während die Lichtquelle inaktiv ist werden im Wandler 17 digitalisiert, so daß die Größe des gemessenen Differenzausgangssignals (S _on-S _off) erhalten wird.

Die Subtraktion der Größe des inneren Streulichtwertes D, die im Speicher gespeichert ist, von der Größe des gemessenen Differenzausgangssignals (S _on-S _off) gibt die Größe des gemessenen Ausgangssignals, wonach die relative Reflexion r nach folgender Gleichung errechnet wird:

Die auf diese Weise errechnete relative Reflektivität ist nicht dem Einfluß von Dunkelströmen oder der Speisespannung unterworfen und außerdem in der Lage, die Größe des inneren Streulichtwertes zu korrigieren, die von Gerät zu Gerät verschieden ist, so daß es möglich wird, ein Gerät zur quantitativen Analyse mit Indikatorpapier ohne irgendeinen Instrumentenfehler zu erhalten.

Es wurden ferner die Färbeeigenschaften der verschiedenen Arten von Indikatorpapier untersucht, insbesondere die Eichkurven, die die Beziehung zwischen der Konzentration der zu bestimmenden Substanz und der Reflexion des Indikatorpapiers wiedergeben und die die in den Fig. 10-12 gezeigte Gestalt haben.

Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Konzentration (mg/dl) Traubenzucker und der Reflexion r des Indikatorpapiers bei der Analyse von Traubenzucker, wobei Traubenzucker durch Verwendung des oxidierenden Enzyms des Traubenzuckers in Gluconsäure und Wasserstoffperoxid oxidiert wird, während der Farbindikator durch das so entstandene Hydroperoxid und die Peroxidase oxidiert und gefärbt wird, und wobei zwei Kurven die Meßwellenlängen λ_p = 670 nm und λ_Q = 660 nm separat ausdrücken.

Fig. 11 gibt die Beziehung zwischen der Konzentration (mg/dl) von Bilirubin und der Reflexion r (%) des Indikatorpapiers bei der Analyse von Bilirubin wieder, wobei Bilirubin auf das Diazoreagens unter sauren Bedingungen wirkt und die so erzeugte Azobilirubinfärbung bei der Meßwellenlänge von 550 nm gemessen wird.

Fig. 12 gibt die Beziehung zwischen der Konzentration (mg/dl) von Harnstoff-Stickstoff und der Reflexion des Indikatorpapiers der Analyse von Harnstoff-Stickstoff wieder, wobei Harnstoff durch Urease zu Ammoniumcarbonat zersetzt wird und dann der Indikator unter Ausnutzung der Änderung der Wasserstoffionenkonzentration durch das erzeugte Ammonium gefärbt wird. Die verwendete Meßwellenlänge ist hier 620 nm.

In den Tabellen 1-4 bedeutet die Konzentration die vorgegebene Konzentration einer Lösung, der Näherungswert die Konzentration, gefunden unter Benutzung der Näherungsgleichung aus der gemessenen Reflexion r der Lösung und %-Fehler die Differenz zwischen der Näherungsgleichungskonzentration und der vorgegebenen Konzentration im Verhältnis zur oben erwähnten vorgegebenen Konzentration. In den Beispielen in diesen Tabellen liegt die Prozentfehlerangabe unter 4%. Selbst wenn gleichmäßig abfallende Lichtkurven bei Indikatorpapieren, die bei anderen Messungen verwendet werden, auftreten, können sie unter Verwendung der gleichen Näherungsgleichungen wie der Gleichung II angenähert werden, wobei in der Gleichung bedeuten: r die durch ein geeignetes Standardausgangssignal korrigierte Reflexion und a, b und c Konstanten, die die Formen der Eichkurven bestimmen.

Tabelle 1

Testpapier für Anaylse von Traubenzucker (Fig. 10)
Meßwellenlänge λ = 670 nm
Näherungsgleichung

Tabelle 2

Testpapier für die Analyse von Traubenzucker
Meßwellenlänge λ = 660 nm
Näherungsgleichung

Tabelle 3

Testpapier für die Analyse von Bilirubin
Meßwellenlänge λ = 550 nm
Näherungsgleichung

Tabelle 4

Testpapier für die Analyse von Harnstoff-Stickstoff Fig. 12)
Meßwellenlänge λ = 620 nm
Näherungsgleichung

Bezüglich der Beziehung zwischen Konzentration Y und Reflexion r ist zu sagen, daß es möglich ist, den Nullpunkt der Näherungsgleichung II der Eichkurve zu den Koordinaten durch Variieren der Konstanten a und/oder c zu verschieben, wie in Fig. 13 gezeigt, und die Eichkurven so zu gestalten, daß sie parallel zur Koordinatenachse laufen, oder die Wölbung der Eichkurve durch Änderung der Konstanten b variabel zu machen, wie Fig. 14 zeigt.

Diese Konstanten a, b und c, ebenso wie die Konstante k, können in dem Potentiometer 16₁, dem Potentiometer 16₂ und dem Potentiometer 16₃ eingestellt werden. Die Größen dieser Konstanten sind veränderbar, abhängig von den Arten der zu bestimmenden Materialien und den Indikatorpapieren, wodurch eine geringe Differenz zwischen den Eichkurven leicht korrigierbar ist. Dies bedeutet vor allem, daß man den Effekt hat, der dem Besitz einer Vielzahl von Eichkurven zur Zeit der Korrektur der Instrumentenfehler infolge der Strahlung der Meßwellenlänge bei ein und demselben Indikatorpapier gleichkommt. Die vorstehenden Konstanten a, b und c ändern sich jedoch mit den zu bestimmenden Materialien und den Indikatorpapieren, so daß es notwendig ist, mehrere Potentiometersätze (16₁, 16₂, und 16₃) vorzusehen, um die Messung vieler Materialien in ein und demselben Gerät zu gleicher Zeit möglich zu machen

An der Stufe, an der die Reflexion r ohne irgendeinen Instrumentenfehler berechnet werden kann, wie vorstehend beschrieben, wird jede der Konstanten a, b und c nach Befehl des Mikrocomputers 18 umgewandelt, wie im Fall von c, wenn die Konzentration Y nach der Konzentrations-Umsetzungsgleichung II berechnet worden ist und als direkt ablesbarer Wert digital auf dem Anzeigegerät 21 erscheint. Zu diesem Zeitpunkt kann der Instrumentenfehler der Eichkurve, erzeugt durch die geringe Differenz zwischen den Meßwellenlängen, beseitigt werden, wenn nur jede der Konstanten im voraus zur Zeit der Herstellung unter Verwendung eines Farbstandardreflexionsstücks einen Standardfarbtons abgeglichen wurde, wodurch die Direktablesung der Konzentration durch einfache Rechnung und ohne Instrumentenfehler ermöglicht ist. Auch wenn in jedem einzelnen Gerät die Konstanten a, b und c geeignet abgeglichen sind, gibt es noch die Möglichkeit, daß die Meßwellenlänge etwas variiert, abhängig von den Bedingungen im Gebrauch, z. B. den Änderungen der Speisespannung und der Umgebungstemperatur. In diesem Fall braucht nur die Konstante a oder c im Potentiometer 16₁ oder 16₃ abgeglichen werden.

Die bisher beschriebenen Beispiele zeigen die Fälle, in denen die Konstanten k, a, b und c den Potentiometern in Analogform eingegeben sind. Es spielt aber keine Rolle, ob sie zuvor im Speicher des Mikrocomputers als eine Vielzahl von numerischen Tabellen in Digitalform gespeichert worden sind oder ob sie direkt in Form von äußeren Speicherelementen, z. B. Magnetkarten, zusammen mit Daten, wie die zu untersuchende Substanz, neben den oben aufgeführten Konstanten eingegeben werden.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung können auch dann Anwendung finden, wenn die Vorrichtung zur Messung des reflektierten Lichtes die erwähnte Integrationskugel nicht aufweist und z. B. eine Einrichtung zur Messung der Menge reflektierenden Lichtes in der durch Neigung des Lichtstroms auf die reflektierende Oberfläche in einem bestimmten Winkel festgelegten Richtung besitzt.

Das beschriebene Verfahren macht eine exakte Bestimmung der relativen Reflexion eines gefärbten Indikatorpapiers möglich, frei vom Einfluß einer inneren Streustrahlung. Die Reflexion eines gefärbten Indikatorpapiers, das mit der zu prüfenden Flüssigkeit bestrichen oder imprägniert ist, wird durch Berechnung der Größe des inneren Streulichtwertes zur Zeit der Messung aus dem Verhältnis der Größe des inneren Streulichtwertes zur Größe des Standardausgangssignales, das vorher gespeichert wurde, und der Größe des Standarddifferenzausgangssignales zur Zeit der Korrektur vor der Messung und durch Ausführen der Korrektur der Größe von Standard- und Meß-Differenzausgangssignal erhalten.

Das Verfahren macht es ferner möglich, die Differenz und Schwankung der Eichkurven infolge Streuung und Schwankung der Meßwellenlänge zu korrigieren und die Umsetzung von Reflexion in Konzentration ohne Streuung genau auszuführen, indem die Eichkurven von relativer Reflexion zu Konzentration der zu bestimmenden Substanz in der geprüften Flüsssigkeit angenähert werden, wobei die Kurven als Teil einer Hyperbel angesehen werden, und die Konstanten in der Umsetzungsgleichung abgeglichen werden.

Die Durchführung des Verfahrens wird durch eine Vorrichtung möglich gemacht, die so konstruiert ist, daß sie als Verhältnis der Größe des inneren Streulichtwertes zur Größe des Differenzausgangssignales korrigiert und auch jede der Konstanten der Umsetzungsgleichung sowie der Näherungsgleichung in den Potentiometern in Analogform speichert. Dies macht die quantitative Bestimmung der Konzentration einer bestimmten Substanz in Form der Digitalanzeige möglich durch vollständige Eliminierung des Einflusses der inneren Streustrahlung im photometrischen Bereich und Schwankung der Lichtmengen der Lichtquelle.

Claims

1. Verfahren zur photometrischen Auswertung von Indikatorpapieren, bei dem Licht vorgegebener Wellenlänge auf das Indikatorpapier, einen ersten Vergleichsstandard mit bekannten Reflexionseigenschaften und einen zweiten Vergleichsstandard mit bekannten Reflexionseigenschaften gerichtet, das reflektierte Licht in elektronische Meßsignale umgewandelt und der weiteren Verarbeitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(1) das Licht aus Lichtimpulsen besteht und daß
(2) zum Eliminieren von Dunkelströmen oder äußerer Streustrahlung zusätzliche Meßsignale jeweils zwischen zwei Lichtimpulsen für das Indikatorpapier und den ersten Vergleichsstandard und
(3) zur Berechnung eines für die Ermittlung eines der optischen Anordnung entsprechenden inneren Streulichtwertes (D) notwendigen, dem verwendeten Gerät inhärenten Korrekturfaktors (k) zusätzliche Meßsignale jeweils zwischen zwei Lichtimpulsen für den zweiten und den ersten Vergleichsstandard bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Vergleichsstandard ein Körper mit der Reflexion Null verwendet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Lichtquelle zur Abgabe eines Lichtstrahles, einer lichtelektrischen Empfangseinrichtung, die das vom Indikatorpapier, dem ersten und dem zweiten Vergleichsstandard reflektierte Licht in elektrische Signale umwandelt, einem Verstärker zur Verstärkung der elektrischen Signale, einem A/D-Wandler, einer Recheneinheit zur Verarbeitung bzw. Auswertung der Signale und einer Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (2) eine Impulslichtgeberschaltung (11) zugeordnet ist, daß zwischen dem Verstärker (13) und dem A/D-Wandler (17) ein Analogschalter (14) vorgesehen ist und daß der Analogschalter (14) mit einem Potentiometer (15) in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analogschalter (14) weitere Potentiometer (16₁, 16₂, 16₃) zugeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Potentiometer (16₁, 16₂, 16₃) entsprechend der Zahl der zu bestimmenden Substanzen in mehreren Sätzen vorgesehen sind.