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Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft einer Probe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine .Strahlungsmeßvorrichtung und
betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung einer bestimmten Eigenschaft
einer Probe.
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Obgleich die Erfindung ein weiteres Anwendungsgebiet besitzt, eignet
sie sich speziell für die quantitative Analyse von Blut und anderen Körperflüssigkeiten.
Für diagnostische Zwecke wird bekanntlich eone Anzahl von Proben einer Körperflüssigkeit,
die als Reihensegmente in einem Strom fließen und durch Blasen von Luft oder einem
anderen inerten Strömungsmittel getrennt sind, üblicherweise einzeln und der Reihe
nach mit einem oder mehreren Reagentien behandelt, um eine Strömung einer optischen
Dichte mit einer bestimmten Wellenlänge zu bilden, welche eine quantitative Charakteristik
der Probe angibt. In bestimmten Fällen besteht das Reagens z.B. aus einer Säurelösung
mit einer bestimmten Farbe, die mit etwas in der Probe enthaltener Glucose reagiert
und eine der Glucosemenge proportionale Minderung der Farbdichte bewirkt. Diese
Dichtenminderung wird mittels eines Kolorimeters gemessen, und der Meßwert wird
z.B. in mg Glucose pro 100 ml Lösung festgehalten bzw. aufgezeichnet.
Die
bisherigen Strahlungsmeßvorrichtungen der angegebenen Art sind mit bestimmten Nachteilen
behaftet. Beispielsweise treten bei vielen derartigen, bisherigen Vorrichtungen
Schwierigkeiten in den Fällen auf, in denen eine bestimmte, zu untersuchende Probe
eine hohe Dichte besitzt und demzufolge die Intensität der zu messenden Strahlung
auf eine Größe unterhalb derjenigen abnimmt, bei welcher genaue Messungen möglich
sind.
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Eine Änderung der Intensität der Strahlungsquelle für die Vorrichtung
hat ebenfalls einen ungünstigen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Darüber hinaus -
und dies ist in den Fällen von besonderer Bedeutung, in denen die Vorrichtung zur
Lieferung unmittelbarer Anzeigen für die Konzentration eines in der Probe enthaltenen
Stoffs angeordnet ist - erwies es sich bisher häufig als schwierig, das Ansprechverhalten
bzw. den Frequenzgang (response) der Vorrichtung so zu eichen, daß eine vorgegebene,
bekannte Standard- oder Bezugslösung ein Ansprechen an der richtigen Stelle der
Ausgangs skala liefert.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer verbesserten
Vorrichtung zur Messung oder Bestimmung der für eine spezielle Eigenschaft einer
Probe repräsentativen Strahlung.
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Diese Vorrichtung soll dabei auch im Fall von Proben mit abnormal
hoher oder niedriger Dichte genaue Meßwerte liefern, wobei die erhaltenen Meßwerte
von der Intensität der Strahlungsquelle praktisch unabhängig sind.
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Weiterhin soll sich diese Vorrichtung einfach in Obereinstimmung mit
der gewünschten Ausgangs skala bzw. dem gewünschten Anzeigemaßstab eichen lassen.
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Schließlich soll diese Vorrichtung auch wirtschaftlich herzustellen
und unbedingt zu-verlässig im Betrieb sein.
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den Die genannte Aufgabe wird durch die in/beigefügten Patentansprüchen
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
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In spezieller Ausführungsform weist die Strahlungsmeßvorrichtung eine
Glühlampe oder eine andere Lichtquelle für sichtbare oder unsichtbare Strahlung
sowie eine zweckmäßige Optik zur Abnahme der Strahlung von der Lichtquelle und zur
Führung dieser Strahlung längs eines vorbestimmten Strahlengangs auf. Auf gegenüberliegenden
Seiten des Strahlengangs sind zwei optische Systeme mit gegenseitigem Abstand angeordnet.
Ein Probenhalter, z.B. in Form eines einen ständig fließenden Probenstrom enthaltenden
Rohrs, ist so angeordnet, daß die Strahlung vom ersten optischen System auf ihn
auftrifffEin ausgewählter, nahezu monochromatischer Teil der Strahlung von der Lichtquelle
wird über eine Strahlungsteileranordnung geleitet, und ein Teil dieser Strahlung
tritt dann in Form eines Proben-Abtaststrahls durch das erste optische System zur
Probe hindurch. Beim Durchgang durch die Probe wird die Intensität des Strahls entsprechend
der optischen Dichte der Probe modifiziert.
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Die Intensität des aus der Probe austretenden Strahls wird zur Lieferung
eines für die Probendichte repräsentativen Ausgangssignals gemessen bzw. bestimmt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Strahlungsteileranordnung
von einem Schlitten oder einem Wagen getragen, der zur Änderung der die Probe erreichenden
Strahlungsintensität auf den Probenhalter zu und von ihm hinweg bewegbar ist. Die
Strahlungsintensität läßt sich somit einfach in bezug auf einen bekannten Standard
einstellen, so daß auch im Fall von Proben mit hoher Dichte oder in stark verdünntem
Zustand außerordentlich genaue Dichtenmessungen gewährleistet werden.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist bei bestimmten,
besonders
wesentlichen Ausführungsformen eine Strahlungsteileranordnurg vorgesehen, die als
Strahlteiler dient, um die von der Strahlungsquelle eingehende Strahlung in einen
Proben-Abtaststrahl und einen Bezugsstrahl aufzuteilen, der durch das zweite optische
System abgegriffen wird. Die Vorrichtung weist zwei Detektoren auf, welche jeweils
die Intensität der betreffenden Strahlen feststellen und deren Signale durch einen
Verhältnisdetektor miteinander verglichen werden, um ein von der Intensität der
Strahlungsquelle unabhängiges Ausgangssignal zu liefern.
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Gemäß einem noch weiteren Merkmal der Erfindung sind in speziellen
Ausführungsformen die beiden optischen Systeme auf gegenüberliegenden Seiten der
Strahlungsteileranordnung optisch aufeinander ausgerichtet. Die Bewegung des tragenden
Wagens auf den Probenhalter zu und von ihm hinweg hat gleichzeitig eine Änderung
der Intensitäten von Abtaststrahl und Bezugsstrahl zur Folge. Wenn der Wagen beispielsweise
vom Probenhalter weg bewegt wird, wird die Intensität der die Probe erreichenden
Strahlung erhöht, während die Intensität der den Bezugsdetektor erreichenden Strahlung
verringert wird und umgekehrt.
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Die Vorrichtung läßt sich somit ohne weiteres in Anpassung an die
Dichte einer speziellen, zu untersuchenden Probe eichen.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer
Strahlungsmeßvorrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung,
Fig.
2 ein schematisches Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung für die Vorrichtung
nach Fig. 1 und Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Strahlungsmeßvorrichtung
gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 1 ist die Strahlungsmeßvorrichtung schematisch in Form eines
Kolorimeters mit einer Glühlampe oder einer anderen geeigneten Lichtquelle 10 dargestellt.
Der verwendete Ausdruck "Licht" bezieht sich nicht nur auf sichtbares Licht, sondern
auch auf Strahlung, die eine längere oder kürzere Wellenlänge besitzt als das sichtbare
Spektrum. Das von der Lichtquelle 10 kommende Licht wird durch einen Konkavspiegel
11 gesammelt und längs des allgemein mit 12 bezeichneten Strahlengargs gerichtet.
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Im Strahlengang 12 durchläuft das Licht eine Kollimatorlinse 13, durch
welche es zu parallelen Strahlen geformt wird und sodann eine Bandpaß-Filterlinse
14. Letztere bewirkt in an sich bekannter Weise, daß nur ein ausgewählter, nahezu
monochromatischer Teil des Lichts im Strahlengang 12 weitergeleitet wird. Die Bandbreite
des aus der Linse 14 austretenden Lichts liegt beispielsweise in der Größenanordnung
von 15m.
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Das Licht von der Bandpaß-Filterlinse 14 wird von einer Strahlungsteileranordnung
15 abgenommen, die zwei rechtwinkelige Prismen 17 und 18 mit jeweils einer Diagonalfläche
20 und zwei rechtwinklig zueinanderstehenden Flächen 22 und 23 enthält. Die Prismen
17 und 18 sind so angeordnet, daß ihre Flächen 22 in auf Abstand stehenden Ebenen
parallel zum Strahlengang 12 liegen, während ihre Flächen 23 in einer einzigen,
gemeinsamen Ebene senkrecht zum Strahlengang angeordnet sind. Die Diagonalflächen
20
sind versilbert oder anderweitig mit einem geeigneten reflektierenden überzug versehen,
und in der dargestellten Anordnung schneiden die Flächen 20 einander längs einer
Linie, die unter einem rechten Winkel zum Strahlengang 12 liegt. Bei dieser Anordnung
teilen die Reflex-ionsflächen 20 das von der Lichtquelle 10 stammende monochromatische
Licht aus noch näher zu beschreibenden Gründen in zwei eindeutig getrennte Strahlenbündel
auf.
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Die Strahlungsteileranordnung 15 ist auf einem bewegbaren Schlitten
oder Wagen 25 angeordnet. Letzterer besteht im allgemeinen aus einem Block aus Aluminium
oder einem anderen geeigneten Werkstoff, und er weist obere Schrägflächen auf, die
mit den Reflex-ionsflächen 20 der Prismen 17 und 18 verkittet sind. Bei der dargestellten
Ausführungsform befindet sich der Wagen 25 hinter dem Strahlengang 12, um eine Interferenz
mit dem Licht im Strahlengang zu verhindern.
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Der Wagen 25 ist mittels einer geeichten bzw. kalibrierten Nachführ-Schraubspindel
27 in einer Richtung senkrecht zum Strahlengang 12 bewegbar. Die Schraubspindel
27 durchsetzt einen feststehenden Träger oder Halter 26 sowie eine Gewindebohrung
im Wagen 25 und ist am einen Ende mit einem gerändelten Knopf 28 versehen. Durch
Drehen des Knopfes 28 können der Wagen 25 und somit die an ihm angebrachten Prismen
17 und 18 als Einheit verschoben werden, um die Ausrichtung der Prismenanordnung
relativ zum Strahlengang 12 zu ändern.
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Ein optisches Proben-Abtastsystem 30 und ein optisches Bezugssystem
31 sind mit gegenseitigem Abstand auf gegenüberliegenden Seiten des Strahlengangs
12 jeweils in einer Position angeordnet, in welcher sie die von der
Strahlungsteileranordnung
15 kommende Strahlung abzunehmen vermögen. Die optischen Systeme 30 und 31 sowie
die Strahlungsteileranordnung 15 sind längs einer optischen Achse bzw. eines Strahlengangs
33, die bzw.
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der den Strahlengang 12 unter einem rechten Winkel schneidet, optisch
aufeinander ausgerichtet.
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Das optische Abtastsystem 30 enthält eine Fo]ussierlinse 35, welche
den von der Fläche 20 des Prismas 17 reflektierten Teil des monochromatischen Lichts
empfängt. Dieses empfangene Licht wird auf das eine Ende einer Röhre bzw. eines
Lichtrohrs 36 gebündelt, die bzw. das koaxial zur optischen Achse 33 angeordnet
ist.
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Die Linse 35 bildet einen Proben-Abtaststrahl, welcher das Lichtrohr
36a durchläuft und eine in einem rohrförmigen Probenhalter 37 befindliche Materialprobe
beleuchtet.
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Der Probenhalter 37 besteht aus einem durchsichtigen Werkstoff, ist
jedoch mit einem undurchsichtigen Überzug 39 versehen, um einen Austritt des die
Probe durchlaufenden Lichts zu verhindern. Ersichtlicherweise ist der Probenhalter
37 so ausgebildet, daß er einen kontinuierlichen Strom einer flüssigen Probe aufnimmt,
die zur Erzeugung einer bestimmten Farbcharakteristik mit geeigneten Reagentien
behandelt worden ist, wobei die Dichte dieser Probe bzw. ihrer Farbcharakteristik
der Gewichtsmenge einer vorgegebenen, in der Probenlösung enthaltenen Substanz proportional
ist. Eine beispielhafte Vorrichtung zur Lieferung des flüssigen Probenstroms zum
Probenhalter ist in der Parallelanmeldung P ... vom selben Anmeldetag beschrieben.
Die Intensität des die Probe durchlaufenden Strahlungsbündels wird als logarithmische
Funktion der Probendichte verringert. Nach dem Austritt aus der Probe durchläuft
das Strahlenbündel ein zweites Lichtrohr 36b, und es wird durch eine Sperrschicht-Fotozelle
bzw. ein Fotoelement 38 abgegriffen, das dem Probenhalter gegenüberliegend auf der
optischen Achse 33 angeordnet ist.
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Auf ähnliche Weise empfängt das optische Bezugssystem 31 ein Bezugsstrahlenbündel
in Form des von der Fläche 20
des Prismas 18 reflektierten Teils
des monochromatischen Lichts. Das Bezugssystem 31 enthält eine Fokussierlinse 40,
welche das eingehende Strahlenbündel auf das eine Ende eines Lichtrohrs 41 bündelt.
Das Lichtrohr 41 ist axial auf der optischen Achse 33 angeordnet und richtet das
einfallende Licht auf ein Fotoelement 42. Die Intensität des vom Fotoelements 42
abgegriffenen Lichts ist bei der gewählten Wellenlänge der Lichtintensität der Lichtquelle
10 proportional.
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Gemäß Fig. 2 sind das Proben-Abtastfotoelement 38 und das Bezugsfotoelement
42 jeweils mit einem logarithmischen Verstärker 45 bzw. 46 verbunden. Die Ausgangssignale
der Verstärker 45 und 46 werden einer Verhältnisdetektorschaltung 49 eingespeist,
die ein Ausgangssignal entsprechend dem Verhältnis zwischen den ermittelten Intensitäten
des Proben und des Bezugsstrahlenbündels liefert. Das Ausgangssignal kann mittels
eines geeigneten Streifenschreibers 50 aufgezeichnet werden. Verhältnisdetektor
49 und Streifenschreiber 50 sind so geeicht, daß sie eine unmittelbare Anzeige für
die Konzentration einer ausgewählten Substanz innerhalb jeder einzelnen der aufeinanderfolgenden
Proben, welche das Probenrohr 37 (Fig. 1) durchlaufen, in beispielsweise Milligramm
pro 100 ml der Lösung, liefern.
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Wie erwähnt, trennt die Strahlungsteileranordnung 15 das von der Lichtquelle
10 kommende Licht in praktisch monochromatische Proben-Abtast- und Bezugsstrahlenbündel
mit einer durch die Bandpaß-Filterlinse 14 bestimmten Wellenlänge auf. Die Intensitäten
beider Strahlenbündel können mittels des Knopfes 28 an der Nachführ-Schraubspindel
27 gleichzeitig geändert werden. Wenn die Dichte einer bestimmten, im Probenrohr
37 befindlichen Probe für die Lieferung eindeutiger Messungen zu hoch ist, wird
beispielsweise mittels der Schraubspindel 27 die
Strahlungsteileranordnung
15 gemäß Fig. 1 nach rechts vom optischen Abtastsystem 30 hinweg und auf das optische
Bezugssystem 31 zu verschoben. Auf Grund dieser Verschiebung wird ein größerer Anteil
des von der Lichtquelle 10 stammenden Lichts durch das Prisma 17 zum Proben-Abtastsystem
30 reflektiert, während ein entsprechend kleinerer Anteil des Lichts durch das Prisma
18 zum Bezugssystem 31 reflektiert wird. Die Intensität des die Probe im Probenrohr
37 bestrahlenden Strahlenbündels wird somit entsprechend vergrößert, so daß am Fotoelement
38 ein größeres Ausgangs signal auftritt, während eine entsprechende Abnahme der
Intensität des das Bezugsfotoelement 42 erreichenden Strahlenbündels gegeben ist.
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Für die Messung von sehr stark verdünnten Probenmaterialien wird umgekehrt
mittels der Nachführ-Schraubspindel 27 die Strahlungsteileranordnung 15 vom optischen
Bezugssystem 31 hinweg und in Richtung auf das optische Proben-Abtastsystem 30 verschoben.
Hierdurch wird eine Verringerung der Intensität des das Probenrohr 37 beleuchtenden
Lichts und eine entsprechende Erhöhung der Intensität des das Bezugsfotoelement
42 erreichenden Lichts erreicht. Durch Verwendung einer entsprechend zweckmäßig
im voraus kalibrierten oder geeichten Skala für den Verhältnisdetektor 49 und den
Streifenschreiber 50 kann das Ansprechverhalten bzw. der Frequenzgang der Vorrichtung
ohne weiteres so eingestellt werden, daß eine vorgegebene, bekannte Standardlösung
einen Meßwert an der richtigen Stelle der Skala liefert. In diesem Fall kann die
Konzentration aufeinanderfolgender, unbekannter Proben ohne die Notwendigkeit für
weitere Berechnungen unmittelbar von der Skala abgelesen werden.
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In abgewandelter Ausführungsform der Erfindung werden in der Strahlungsteileranordnung
anstelle der Prismen Spiegel verwendet.
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Gemäß der Fig. 3 sind beispielsweise zwei Flachspiegel 55 und 56 so
auf dem Wagen 25 angeordnet, daß sie bei Betätigung der Nachführ-Schraubspindel
27 gemeinsam verschiebbar sind. Die Spiegel 55 und 56 sind unter einem rechten Winkel
zueinander in solcher Position angeordnet, daß sie einen ausgewählten, im wesentlichen
monochromatischen Lichtanteil von der Bandpaß-Filterlinse 14 längs der optischen
Achse 33 in entgegengesetzte Richtungen durch die betreffenden optischen Systeme
30 und 31 werfen. Die Intensitäten der resultierenden Proben-Abtast- und Bezugsstrahlenbündel
werden auf vorher beschriebene Weise durch die Fotoelemente 38 bzw. 42 abgegriffen
bzw. gemessen, wobei diese Fotoelemente ein entsprechendes Ausgangssignal zum Verhältnisdetektor
49 und zum Streifenschreiber 50 liefern. Die Ausrichtung der Spiegel längs der optischen
Achse 33 ist mittels der Schraubspindel 27 und des Knopfes 28 ohne weiteres änderbar,
so daß das von der Lichtquelle 10 kommende Licht in Proben- und Bezugsstrahlenbündel
unterschiedlicher Intensität aufteilbar ist. Auf ähnliche Weise, wie in Verbindung
mit Fig. 1 beschrieben, wird durch eine Verschiebung der Spiegel auf das optische
System 30 zu oder von ihm hinweg eine Verringerung oder Erhöhung der Intensität
des die Probe beleuchtenden Lichts und eine entsprechende Erhöhung bzw. Verringerung
der Intensität des am Bezugsdetektor (Fotoelement 42) ankommenden Lichts erreicht.
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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der auf der optischen Achse 33 liegende
Teil des Probenrohrs 37a deutlich länger ist als der entsprechende Teil des Probenrohrs
37 gemäß Fig. 1. Das (längere) Probenrohr 37a eignet sich besonders für die Bestimmung
von vergleichsweise stark verdünnten Proben, während das kürzere Probenrohr 37 für
Proben höherer Dichte benutzt wird. In einer vorgegebenen Vorrichtung sind die Probenrohre
37 und 37a
austauschbar; zur Erzielung von Meßwerten mit hoher
Genauigkeit ist es dabei jedoch wesentlich, daß der Abstand zwischen der Fokussierlinse
35 und dem Fotoelement 38 gleich bleibt. Aus diesem Grund werden die Längen der
Lichtrohre 36a und 36b entsprechend dem jeweils verwendeten, bestimmten Probenrohr
gewählt.
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Ein Vorteil der Prismenanordnung gemäß Fig. 1 gegenüber dem Flachspiegelsystem
nach Fig. 3 besteht darin, daß die Reflex-ionsflächen 20 der Prismen stets vor Kratzern
und anderen Oberflächenfehlern geschützt sind, die ihnen beispielsweise bei der
Reinigung beigebracht werden könnten.
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Obgleich vorstehend nur zwei derzeit bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich
verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken
der Erfindung abgewichen wird.
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