DE2954734C2 - Verfahren zur photometrischen Auswertung eines mit einer Flüssigkeit getränkten Teststreifens und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photometrischen Auswertung eines mit einer Flüssigkeit getränkten Test­ streifens gemäß dem Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 3.

Qualitative und quantitative Analysen, die mit Indikator- bzw. Testpapieren vorgenommen werden, werden bei klinischen und chemischen Untersuchungen wie der Bestimmung der chemi­ schen Bestandteile des Blutes, Harnuntersuchungen und der­ gleichen wegen ihrer einfachen und leichten Durchführbar­ keit angewendet. Sie werden insbesondere in solchen Fällen gern herangezogen, in denen die Bestimmung keine Verzöge­ rung 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 photoelek­ trisch messen. In den letzten Jahren sind daher, zusammen mit der Entwicklung und Verbesserung neuer Testpapier-Typen, Analysatoren verschiedener Arten vorgeschlagen wor­ den, mit denen sich quantitative Analysen von zu bestim­ menden Stoffen einfach und schnell durchführen lassen.

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

Das Prinzip, nach welchem diese Analysiergeräte arbeiten, beruht auf der Tatsache, daß das Reflexionsspektrum des gefärbten Indikatorpapiers in Abhängigkeit von den Konzen­ trationen 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 Wellen­ länge 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 Kalibrierkurve dargestellten Zusammenhangs Reflexion zu Konzentration, erhalten aus den Farbcharak­ teristika des Indikatorpapiers, in die Konzentration umge­ wandelt wird.

Außer diesen Analysiergeräten wird häufig ein Gerät verwen­ det, 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 Integra­ tionskugel. Das Licht von der Lichtquelle 2, die auf dem oberen Teil der Integrationskugel 1 angebracht ist, gelangt an ein Filter 3, das bestimmte Strahlungsanteile hindurch­ läßt, welche als Licht einer definierten Wellenlänge das Indikatorpapier 5, das unter dem Probenfenster 4 des un­ teren Teils der Integrationskugel liegt, bestrahlt. Von der Oberfläche des Indikatorpapiers 5 wird eine Lichtmenge re­ flektiert, die dem Grad der Färbung des Testpapiers 5 ent­ spricht. Dieses reflektierte Strahlenbündel wird in das Innere der Integrationskugel 1 diffus reflektiert und be­ strahlt einen optischen Detektor 6, der auf der Seitenflä­ che der Integrationskugel vorgesehen ist.

Die Ausgangssignale des optischen Detektors, die der vom Detektor erfaßten reflektierten Strahlung entsprechen, wer­ den über einen Verstärker 7 einem Meßgerät 8 zugeführt, das mit der Skala zum direkten Ablesen der Konzentration ver­ sehen 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 Einstel­ lung bzw. Festlegung des Bezugsignals, z. B. gibt man elek­ trisch ein Voraus-Bezugssignal ein oder man sieht einen reflektierenden Vergleichsstandard vor, um die von diesem reflektierte Strahlungsmenge zu speichern und bei der Mes­ sung als Bezugssignal zu verwenden.

Bei derartigen mit einer Integrationskugel arbeitenden Ge­ räten tritt jedoch eine Reihe von Problemen auf:

• 1. Die Geräte sind so gebaut, daß sie auf photoelek­ trischem 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 Verstär­ ker zu schützen.
• 2. Das Innere der Integrationskugel 1 wird schnell mit Faserflocken des Indikatorpapiers, Staub von außen oder Flüssigkeit aus der zu analysierenden Probe bedeckt. Da­ durch wird das Streuvermögen der Integrationskugel verän­ dert.

Um diesen Nachteil zu beheben, hat man zu der Maßnahme ge­ griffen, 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 reflek­ tiert und zu innerer Streustrahlung wird, die den optischen Detektor 6 erreicht. Selbst bei Messung eines Objektes einer Reflexion von Null wird daher die reflektierte Strah­ lung unter dem Einfluß der inneren falschen oder Streu­ strahlung nicht Null. Dies führt dazu, daß die Kalibrier­ kurve der reflektierten Strahlung angesichts der tatsäch­ lichen Reflexion nicht den Nullpunkt durchläuft. Diese in­ nere Streustrahlung schwankt in Abhängigkeit von der Nei­ gung der transparenten Platte 9 zur optischen Achse des Strahleneinfalls oder in Abhängigkeit von der Streuung des einfallenden Lichtstrahls. Es besteht dabei die Möglich­ keit, daß verschiedene Vorrichtungen jeweils unterschied­ liche Werte ergeben, selbst von Proben gleicher Reflexion, wie in Fig. 4 gezeigt. In dieser Figur bedeuten R₈ die tat­ sächliche Reflexion des Vergleichsstandards und die Ordinate gibt die relative Reflexion, angepaßt an die Reflexion R₈ = 100 wieder. Die Kalibrierkurve geht im Falle der Vorrich­ tung M1 ohne innere Streustrahlung durch den Nullpunkt, während sie im Fall der Vorrichtungen M2 und M3, welche innere Streustrahlung aufweisen, vom Nullpunkt abweicht.

Abgesehen von der mit der transparenten Platte zusammenhän­ genden Streustrahlung gibt es weitere Arten von Streustrah­ lung, die von der Reflexion durch die Innenteile des opti­ schen Systems herrühren, z. B. dem Umfangsbereich des Probe­ fensters oder der Abschirmplatte. Die innere Streustrah­ lung, 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 ausge­ staltet werden. Nur der nicht beseitigbare Rest davon wird gleichsam wie ein Instrumentenfehler belassen, wie im vor­ erwähnten Fall der inneren Streustrahlung. Folglich wird die Kalibrierkurvenreflexion zu Konzentration auf der Basis von Daten aufgestellt, die beim derzeitigen Stand der Tech­ nik 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 Re­ flexion in den direkt ablesbaren Konzentrationswert wird allgemein so durchgeführt, daß die Reflexion auf dem Meßge­ rät 8, dessen Skalenplatte 10 mit einer nicht linearen di­ rekt ablesbaren Skala in Analogform versehen ist, angezeigt wird, wie in Fig. 3 gezeigt. Es gibt auch eine andere Me­ thode, bei der die Größe des Bezugssignals mit der des Meß­ signals verglichen und das Meßsignal so korrigiert wird, daß beide Signale einander gleich sind. Die Größe der Kor­ rektur ergibt sich aus dem Drehwinkel an einem Potentio­ meter und die Konzentration wird mit Hilfe der um das Po­ tentiometer vorgesehenen Skalenplatte abgelesen.

In jedem der vorstehend beschriebenen Fälle müssen jedoch die Skalenplatten mit den entsprechenden Indikatorpapier­ sorten, die zu prüfen sind, zusammenpassen. Demgemäß soll­ ten, 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 Ska­ lenplatte 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 wellenlängen­ neutral ist. Es ist auch unvermeidlich, daß die Wellenlänge der Lichtquelle oder anderes Licht in gewissem Maße ent­ sprechend den einzelnen Geräten streut. Wenn die Wellenlän­ ge streut, ändert sich die Konzentrations-Reflexions-Kali­ brierkurve, 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 Punk­ te. Fig. 5 zeigt die Korrelation zwischen Reflexionsspek­ tren der Indikatorpapiere (für die Konzentration Y₁, Y₂, Y₃) und den beiden verschiedenen Wellenlängen λ₀, λ₁, wobei zu erkennen ist, daß die Reflexion streut, wenn es die Wel­ lenlänge tut. Fig. 6 zeigt den Unterschied der Kalibrier­ kurve von Konzentration zu Reflexion bei den beiden ver­ schiedenen Wellenlängen λ₀ und λ₁ in Fig. 5.

Es treten mehr als einer der vorstehend aufgeführten In­ strumentenfehler bereits bei der Herstellung des Gerätes auf. Aber sogar in ein und demselben Gerät schwankt nicht nur die Helligkeit der Lichtquelle, sondern auch die Wel­ lenlänge 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 Laufe der Zeit ändern.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur photometrischen Auswertung einer far­ bigen bzw. gefärbten Probe sind aus der US 3,874,799 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 re­ flektierte Licht einer lichtelektrischen Empfangseinrich­ tung zu. Die von dieser Empfangseinrichtung erzeugten elek­ trischen Signale werden dann in entsprechender Weise verar­ beitet und ausgewertet. Dieses bekannte Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung sind mit den vorstehend aufge­ zeigten Nachteilen behaftet.

Ein weiteres Auswerteverfahren von Teststreifen ist aus der DE 25 57 872 A1 bekannt.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur photometrischen Auswertung von Indika­ torpapieren 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 Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrich­ tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem der US 3,874,799 unter anderem dadurch, daß mit Impulslicht gearbeitet wird. Zum Ausschalten der angegebenen Fehlerquellen werden einer­ seits zusätzliche Meßsignale jeweils zwischen zwei Licht­ impulsen der Lichtquelle für das Indikatorpapier und den ersten Vergleichsstandard und andererseits zusätzliche Meß­ signale jeweils zwischen zwei Lichtimpulsen der Lichtquelle für den zweiten und ersten Vergleichsstandard bestimmt. Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach­ folgend beschrieben.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Lichtquelle eine Impulslichtgeber­ schaltung 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 Ana­ logschalter weitere Potentiometer zugeordnet, wobei diese weiteren Potentiometer zweckmäßigerweise entsprechend der Zahl der zu bestimmenden Substanzen in mehreren Sätzen vorgesehen sind. Einzelheiten der erfindungsgemäß ausge­ bildeten Vorrichtung werden im nachfolgenden Text be­ schrieben.

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 Dunkel­ strömen im optischen Detektor der Offset-Spannung im Ver­ stärker oder der äußeren Streustrahlung eliminiert werden.

Das unter 2) aufgeführte Problem wird folgendermaßen ge­ löst: erstens wird die Größe des Ausgangssignals, 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 Differenzausgangssignals auf dem Vergleichsstandard, dessen Reflexion bekannt ist, gespeichert (Standarddifferenzaus­ gangssignal (R_on-R_off)).

Zweitens wird zur Zeit der Korrektur vor der Messung (Analyse) die Größe des Ausgangssignals, das dem inneren Streulicht­ wert D zuzuschreiben ist, aus dem oben erwähnten Verhältnis und der Größe des Standarddifferenzausgangssignals zur Zeit der Korrektur berechnet. Dann wird die Größe des inneren Streulichtwertes D von der Größe des Standarddifferenzaus­ gangssignals (R_on-R_off) bzw. der Größe des gemessenen Differenzausgangssignals (des oben erwähnten Differenzaus­ gangssignals des gefärbten Indikatorpapiers) (S_on, S_off) subtrahiert. Diese beiden abgeleiteten Werte stellen die Größe der 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 Ausfüh­ rungsform in Verbindung mit der Zeichnung, in der teilweise der Stand der Technik dargestellt ist, beschrieben. Es zeigen zur Erläuterung des Standes der Technik

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

Fig. 2 ein Diagramm der Konzentrations-Reflexions-Kali­ brierkurve bei der Wellenlänge λ₀, erhalten aus den Färbungscharakteristika der Indikatorpa­ piere der Fig. 1;

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

Fig. 4 ein Diagramm der Kalibrierkurve der tatsächlichen Reflexion des Vergleichsstandards und der korri­ gierten relativen Reflexion in Vorrichtungen ohne und mit innerer Streustrahlung;

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

Fig. 6 ein Diagramm von Konzentrations-Reflexions-Kali­ brierkurven bei den Wellenlängen λ₀ und λ₁, er­ halten aus den Färbungen der Indikatorpapiere der Fig. 5;
und zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

Fig. 7 ein Blockdiagramm der Vorrichtung;

Fig. 8 und 9 Diagramme, die die Beziehung zwischen den Größen von Standarddifferenzausgangssignal, dem Ausgangs­ signal, 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 bis 12 Diagramme von Kalibrierkurven, die die Beziehung zwischen der Konzentration der in den Flüssigkeiten zu bestimmenden Substanzen und den Reflexionen der Indikatorpapiere zeigen; Fig. 10 zeigt dies am Bei­ spiel Traubenzucker; Fig. 11 am Beispiel Bilirubin und Fig. 12 am Beispiel Harnstoff-Stickstoff; und

Fig. 13 und 14 Diagramme von Konzentrations-Reflexions-Kalibrier­ kurven, die etwa die Form einer Hyperbel haben.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Analysiergerätes, bei dem die Lichtquelle 2 mittels einer Impulsgeberschaltung 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 Nä­ he der Meßwellenlänge, die für die zu messende Substanz geeig­ net ist. Es ist ferner gleichgültig, ob die Lichtquelle selbst Licht intermittierend aussendet oder ob der Licht­ strahl unterbrochen wird.

Zu Beginn wird ein erster Vergleichsstandard 12 unter einer transparenten Platte 9 an der Unterseite einer Integra­ tionskugel 1 angebracht. Nach Drücken des Korrekturschal­ ters 19 wird der Analogschalter 14 mit dem Verstärker durch den Befehl des Mikrocomputers 18 verbunden. Die Größe des Ausgangssignals R_on während die Lichtquelle 2 aktiv ist (Lichtimpuls-Meßsignal) und die Größe des Ausgangssignales R_off während die Lichtquelle nicht aktiv ist (zusätzliches Meßsignal) werden durch den A/D-Wandler 17 in Digitalsi­ gnale umgesetzt und im Speicher des Mikrocomputers 18 ge­ speichert. Die Größe des Ausgangssignals R_off bei inaktiver Lichtquelle setzt sich aus den Dunkel strömen im optischen Detektor 6 der Offset-Spannung des Verstärkers 13 und der äußeren Streustrahlung zusammen, deren Einflüsse durch Be­ rechnung der Differenz zwischen der Größe des Ausgangssi­ gnals R_on bei aktiver Lichtquelle und der Größe des Aus­ gangssignals R_off bei inaktiver Lichtquelle, nämlich der Größe des Standarddifferenzausgangssignales, eliminiert werden.

In diesem Standarddifferenzausgangssignal (R_on-R_off) ist jedoch die Größe des inneren Streulichtwertes D, welche der Streu­ strahlung im Inneren der Integrationskugel 1 (in Fig. 8 gezeigt), zuzuschreiben ist, eingeschlossen. Dieser innere Streulichtwert stellt einen Hauptfaktor der Streuungs­ eigenschaften des Gerätes dar. Fig. 8 zeigt, daß durch die Subtraktion der Größe von D von der Größe (R_on-R_off) ein Stan­ dardausgangssignal R gewonnen wird, in dem die Größe D be­ rücksichtigt worden ist. Bei Subtraktion der Größe des in­ neren Streulichtwertes D von der Größe des Standarddiffe­ renzausgangssignales (R_on-R_off), wenn ein Indikatorpapier 5 anstelle des Vergleichsstandards 12 angebracht wird, ver­ bleibt das Ausgangssignal S, wobei S_on und S_off die Größen der Ausgangssignale bei aktiver bzw. inaktiver Lichtquelle zur Zeit der Messung des Indikatorpapiers (Lichtimpuls-Meß­ signal bzw. zusätzliches Meßsignal) darstellen.

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

Die Größe des inneren Streulichtwertes D der einzelnen Ge­ räte variiert nicht nur in Abhängigkeit vom Winkel, unter welchem die transparente Platte 9 an der Integrationskugel 9 angebracht ist, und dem Material, aus dem sie besteht, z. B. Tafelglas, oder der Form des Inneren der Integrations­ kugel, sondern auch von der Abweichung der optischen Achse der Lichtquelle 2 und der Lichtmenge. Außerdem schwankt die Größe von 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 rela­ tiven Positionen der Bauteile des photometrischen Bereichs (z. B. der Integrationskugel, der Lichtquelle, des Meßfen­ sters, der transparenten Platte oder des Detektors) zuein­ ander und auch keine Änderung der Reflexionseigenschaften in der Integrationskugel I gibt, wenn in ein und demselben Gerät die Lichtintensität mit der Zeit variiert, dann fin­ det eine Änderung der Größe von (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 von D und der Größe des Standarddifferenzausgangssignals (R_on-R_off) konstant bleibt. Dabei ist k der dem Gerät inhärente Korrekturfak­ tor.

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 Zu­ stand ist, drückt die Größe des gemessenen Differenzaus­ gangssignals (S_on-S_off) zur Zeit der Messung der Reflexion im Zustand Null genau die Größe des inneren Streulichtwer­ tes 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 Streulichtwer­ tes 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 gefun­ den werden:

Bei mehreren Geräten, auch wenn sie geeignet justiert sind, erscheint sogar bei ein und demselben Vergleichsstandard die Größe des Standarddifferenzausgangssignals mit ver­ schiedenen 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 Standarddifferenzaus­ gangssignals der Reflexion Null, nämlich der Größe des in­ neren Streulichtwertes D ergibt D₁, D₂, D₃ . . . In diesem Fall ist k keine allgemeine Konstante, sondern erhält wegen der relativen Positionen von Lichtquelle, optischem Detek­ tor usw. zueinander die unterschiedlichen Größen k₁, k₂, k₃.

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

Der Wert von k wird dann wie folgt ermittelt: Beginne mit der Herstellung eines zweiten Vergleichsstandards einer an­ deren Reflexion, bestimme die Reflexion des zweiten Ver­ gleichsstandards 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 Vergleichs­ standards zur Reflexion des ersten Vergleichsstandards in Übereinstimmung mit einem zu kalibrierenden Reflexions­ meßgerät, dessen Verhältnis k unbekannt ist. Wenn ein Po­ tentiometer so eingestellt ist, daß die gefundene Reflexion mit dem oben beschriebenen Bezugswert zusammenfällt, ist der Wert von 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 in ein und demselben Gerät festgelegt worden ist, ändert sich die Größe des Standarddifferenzausgangssignals 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 zu (R_on-R_off)_reg bzw. (R_on-R_off) in jedem Fall einen definierten Wert und umgekehrt. Wenn k gespeichert wird, ist es mög­ lich, die Größe des Standarddifferenzausgangssignals (R_on-R_off) zur Zeit seiner Korrektur durch den Vergleichsstan­ dard vor der Messung zu finden und auch die Größe des in­ neren Streulichtwertes D durch das Verhältnis k.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird der Wert von k auf einem Potentiometer 15 variabel gehalten, und nach der Be­ rechnung 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 des Wertes von k und der Größe des Stan­ darddifferenzausgangssignals (R_on-R_off) durch den Mikro­ computer 18 nach folgender Gleichung errechnet:

Die auf diese Weise erhaltene Größe des inneren Streulicht­ wertes D wird im Microcomputer 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 der Integrationskugel gebracht und der Meßschalter 20 wird be­ tätigt. Dann wird der Analogschalter 14 durch Befehl des Mikrocomputers 18 umgeschaltet und die Größe des Ausgangs­ signals S_on während eines neuen Lichtimpulses und die Größe des Ausgangssignals 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 gemes­ senen Differenzausgangssignals (S_on-S_off) gibt die Größe des gemessenen Ausgangssignals, wonach die relative Re­ flexion r nach folgender Gleichung errechnet wird:

Die auf diese Weise errechnete Reflektivität ist nicht dem Einfluß von Dunkel strömen oder der Speisespannung unterwor­ fen und außerdem in der Lage, die Größe des inneren Streu­ lichtwertes zu korrigieren, die von Gerät zu Gerät ver­ schieden ist, so daß es möglich wird, ein Gerät zur quan­ titativen Analyse mit Indikatorpapier ohne irgendeinen In­ strumentenfehler zu erhalten.

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

Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Konzentration (mg/dl) Traubenzucker und der Reflexion r(%) des Indikator­ papiers bei der Analyse von Traubenzucker, wobei Trauben­ zucker durch Verwendung des oxidierenden Enzyms des Trau­ benzuckers 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 Indika­ torpapiers bei der Analyse von Bilirubin wieder, wobei Bi­ lirubin auf das Diazoreagens unter sauren Bedingungen wirkt und die so erzeugte Azobilirubinfärbung bei der Meßwellen­ länge von 550 nm gemessen wird.

Fig. 12 gibt die Beziehung zwischen der Konzentration (mg/dl) von Harnstoff-Stickstoff und der Reflexion r(%) des Indikatorpapiers der Analyse von Harnstoff-Stickstoff wie­ der, wobei Harnstoff durch Urease zu Ammoniumcarbonat zer­ setzt wird und dann der Indikator unter Ausnutzung der Än­ derung der Wasserstoffionen-Konzentration durch das erzeug­ te Ammonium gefärbt wird. Die verwendete Meßwellenlänge ist hier 620 nm.

In den Tabellen 1 bis 4 bedeutet die Konzentration die vor­ gegebene Konzentration einer Lösung, der Näherungswert die Konzentration, gefunden unter Benutzung der Näherungsglei­ chung aus der gemessenen Reflexion r der Lösung, und %-Feh­ ler die Differenz zwischen der Näherungsgleichungskonzen­ tration und der vorgegebenen Konzentration im Verhältnis zur oben erwähnten vorgegebenen Konzentration. In den Bei­ spielen 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 Kalibrierkurven bestimmen.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

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

Diese Konstanten a, b und c ebenso wie die Konstante k kön­ nen 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 Kalibrierkurven leicht korrigierbar ist. Dies bedeutet vor allem, daß man den Ef­ fekt hat, der den Besitz einer Vielzahl von Kalibrierkurven zur Zeit der Korrektur der Instrumentenfehler infolge der Strahlung der Meßwellenlänge bei ein und demselben Indikatorpa­ pier gleichkommt. Die vorstehenden Konsonanten a, b und c ändern sich jedoch mit den zu bestimmenden Materialien und den Indikatorpapieren, so daß es notwendig ist, mehrere Po­ tentiometersätze (16₁, 16₂ und 16₃) vorzusehen, um die Mes­ sung vieler Materialien in ein und demselben Gerät zu glei­ cher Zeit möglich zu machen.

An der Stufe, an der die Reflexion r ohne irgendeinen In­ strumentenfehler berechnet werden kann, wie vorstehend be­ schrieben, wird jede der Konstanten a, b und c nach Befehl des Mikrocomputers 18 umgewandelt, wie im Falle von c, wenn die Konzentration Y nach der Konzentrationsumsetzungsglei­ chung II berechnet worden ist und als direkt ablesbarer Wert digital auf dem Anzeigegerät 21 erscheint. Zu diesem Zeitpunkt kann der Instrumentenfehler der Kalibrierkurve, erzeugt durch die geringe Differenz zwischen den Meßwel­ lenlängen, beseitigt werden, wenn nur jede der Konstanten im voraus zur Zeit der Herstellung unter Verwendung eines Farbstandardreflexionsstücks eines Standardfarbtons abge­ glichen wurde, wodurch die Direktablesung der Konzentration durch einfache Rechnung und ohne Instrumentenfehler ermög­ licht ist. Auch wenn in jedem einzelnen Gerät die Konstan­ ten a, b und c geeignet abgeglichen sind, gibt es noch die Möglichkeit, daß die Meßwellenlänge etwas variiert, abhän­ gig 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 18 als eine Viel­ zahl von numerischen Tabellen in Digitalform gespeichert worden sind oder ob sie direkt in Form von äußeren Spei­ cherelementen, 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 Integra­ tionskugel nicht aufweist, und z. B. eine Einrichtung zur Messung der Menge des reflektierten 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 mög­ lich, frei vom Einfluß einer inneren Streustrahlung. Die Refle­ xion eines gefärbten Indikatorpapiers, das mit der zu prü­ fenden 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 Standardausgangssignals, das vorher gespeichert wurde und der Größe des Standarddiffe­ renzausgangssignals 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 Kalibrierkurven infolge Streuung und Schwan­ kung der Meßwellenlänge zu korrigieren und die Umsetzung von Reflexion in Konzentration ohne Streuung genau aus zu­ führen, indem die Kalibrierkurven von relativer Reflexion zu Konzentration der zu bestimmenden Substanz in der ge­ prüften Flüssigkeit 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 das Ver­ hältnis der Größe des inneren Streulichtwertes zur Größe des Differenzausgangssignals korrigiert und auch jede der Konstanten der Umsetzungsgleichung sowie der Näherungsglei­ chung 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 (5)

1. Verfahren zur photometrischen Auswertung eines mit einer Flüssigkeit getränkten Teststreifens in einem Photo­ meter, bei dem

• - Lichtimpulse einer vorgegebenen Wellenlänge auf den Teststreifen und auf einen ersten Vergleichsstandard mit bekannten Reflexionseigenschaften gerichtet werden und das reflektierte Licht in elektronische Lichtimpuls-Meßsignale S_on, S_off umgewandelt wird,
• - zum Eliminieren von Fehlern in den Lichtimpuls-Meß­ signalen aufgrund von Dunkel strömen und äußerer Streustrah­ lung zusätzliche Meßsignale S_off, R_off jeweils zwischen zwei Lichtimpuls-Meßsignalen S_on, R_on für den Teststreifen und den ersten Vergleichsstandard bestimmt werden,
• - zum Eliminieren von Fehlern in den Lichtimpuls-Meß­ signalen aufgrund von innerer Streustrahlung ein der optischen Anordnung entsprechender innerer Streulichtwert D durch Multiplikation eines dem Photometer inhärenten Kor­ rekturfaktors k mit der Differenz aus dem Lichtimpuls-Meß­ signal R_on und dem zusätzlichen Meßsignal R_off für den ersten Vergleichsstandard bestimmt wird, wobei
• - zur Bestimmung des dem Photometer inhärenten Kor­ rekturfaktors k vorab bei der Kalibrierung des Photometers Lichtimpuls-Meßsignale und zusätzliche Meßsignale für den ersten Vergleichsstandard als auch für einen zweiten Ver­ gleichsstandard mit bekannten Reflexionseigenschaften er­ mittelt werden, der Quotient aus den jeweiligen Signalen für den zweiten und den ersten Vergleichsstandard gebildet wird, mit dem entsprechenden Quotienten für ein im voraus justiertes Photometer in Beziehung gesetzt und im Photo­ meter abgespeichert wird und
• - die relative Reflexion r nach der Gleichung ermittelt und anhand der relativen Reflexion r die Konzen­ tration der zu untersuchenden Flüssigkeit bestimmt wird.

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

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Lichtquelle zur Abgabe eines Lichtstrahls, einer lichtelektrischen Empfangseinrichtung zur Umwandlung des vom getränkten Teststreifen, dem ersten und dem zweiten Vergleichsstandard reflektierten Lichts in elektrische Signale, einem Verstärker zur Verstärkung der elektrischen Signale, einem A/D-Wandler, einer Rechenein­ heit zur Verarbeitung und Auswertung der Signale und einer Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht­ quelle (2) eine Impulsgeber-Schaltung (11) zugeordnet ist, daß zwischen dem Verstärker (13) und dem A/D-Wandler (17) ein Analogschalter (14) vorgesehen ist, und daß der Analog­ schalter (14) mit einem Potentiometer (15) in Verbindung steht.

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

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die weiteren Potentiometer (16₁, 16₂, 16₃) ent­ sprechend der Zahl der zu bestimmenden Substanzen in meh­ reren Sätzen vorgesehen sind.