DE3630351A1 - Optische vorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische
Vorrichtung, die einen Übergang zwischen optischen
numerischen Aperturen schafft und diese durchgehend
erhält, und insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf eine verbesserte optische Vorrichtung zur Durchführung
von chemichen und biochemischen Untersuchungen.
Von der Vielfalt chemischer und biochemischer Techniken,
die zur Analyse oder zur Untersuchungen benutzt
werden, hat sich ein optisches System als
besonders zweckmäßig erwiesen, welches die Prinzipien der
Spektroskopie mit abgeschwächter innerer
Totalreflexion benutzt (ATR-Spektroskopie). Ein
solches optisches System ist insbesondere nützlich
für Immununtersuchungen, wobei ein faseroptischer
Wellenleiter benutzt wird, auf dessen äußerer Oberfläche
teilweise kovalent ein Antikörper immobilisiert
wird, der in einer Testlösung mit einem Antigen reagiert.
Ein an einem Ende des Wellenleiters eingeführter
Lichtstrahl wird in dem dichten Medium des
Wellenleiters innen total reflektiert und erzeugt
eine elektromagnetische Wellenform, die als abklingende
Wellenkomponente bekannt ist. Letzterer
Abschnitt erstreckt sich im charakteristischen Fall
nur über einen Teil der Wellenführung über der Zwischenfläche
zwischen der Wellenführung und der Prüflösung.
Das Eindringen ist jedoch ausreichend, um ein im
wesentlichen optisches Zusammenwirken zwischen der
abklingenden Wellenkomponente und den immobilisierten
Antikörpern zu ermöglichen, mit denen die Antigene
in der Testlösung einen Komplex bilden und nur
in minimaler Weise mit der Lösung, in der die
Antigene vorhanden sind, reagieren. Eine solche
optische Zusammenwirkung erlaubt dann eine Untersuchung
des Antigens. Es ist eine Zahl solcher
Systeme bekannt, die eine Spektrumskopie mit innerer
Totalreflexion zur Untersuchung benutzen, und Beispiele
hierfür finden sich in der US-PS 41 33 639.
Hier ist ein System beschrieben, welches die Fluoreszenz
mißt, die durch optisches Zusammenwirken induziert
wird; die US-PS 40 50 895 beschreibt ein System
basierend aus einer Absorption der abklingenden Welle
durch den Analyten; die US-PS 43 21 057 und 43 99 099
beschreiben beide Systeme, die Änderungen in der
Strahlung feststellen, die durch die Faser geschickt
wird; die US-PS 44 47 546 beschreibt eine Fluoreszenz-
Immunountersuchungssystem.
Eine Zahl von Faktoren bestimmten die Empfindlichkeit
solcher Systeme. Einer der wichtigsten Faktoren ist
der, wonach die Empfindlichkeit rasch mit der numerischen
Apertur (NA) der Faser an der Stelle in
Berührung mit dem Umgebungsmedium, das zu untersuchen
ist, annsteigt. Die Empfindlichkeit ist eine
Funktion mit der achtfachen Abhängigkeit der numerischen
Apertur bei niedrigem Wert derselben und
mit einer geringeren, aber bedeutsamen Abnahme bei
hoher Aperturwerten. Die numerische Apertur (NA) kann
definiert werden als
dabei ist n 2 der Brechungsindex des Medium, (im
typischen Falle Luft), durch die die Strahlung
anfänglich fortschreitet, so daß sie auf das Eintrittsende
der Faser auftrifft und B ist der maximale
Akzeptanzwinkel der Strahlung am Eingangsende
jeder Faser. Diese Gleichung (1) definiert die
numerische Apertur am Fasereingang.
Die numerische Apertur kann auch definiert werden
als:
dabei ist n 0 der Brechungsindex des Faserkerns und
n 1 ist der Brechungsindex des um die Faser herum befindlichen
Mediums (im wesentlichen der Brechungsindex
der Probe oder der Lösung, in der das Antigen
angeordnet ist). Die Gleichung (2) kann demgemäß
benutzt werden, um die numerische Apertur am Berührungspunkt
zwischen Faser und zu untersuchender
Flüssigkeit zu bestimmen. Für eine solche Faser ist
die numerische Apertur dort, wo das Umgebungsmedium
die Faser berührt, am hochsten wenn das Faserkernmaterial
einen sehr hohen Brechungsindex besitzt
und das die Faser umgebende Material einen sehr geringen
Brechungsindex hat. D. h. wenn n 0 » n 1 ist.
Beispielsweise können zufriedenstellende Empfindlichkeiten
erlangt werden, wenn eine Glasfaser mit einem
gewöhnlichen Brechungsindex von einer wässrigen Lösung
umgeben ist, die im typischen Fall einen Brechungsindex
in der Nähe von 1,33 bis 1,35 hat.
Wenn die numerische Apertur am Eingang der Faser
kleiner ist als an der Berührungsstelle mit der
umgebenden Lösung, dann kann die größere numerische
Apertur an der Berührungsstelle nicht ausgenutzt
werden und das System ist nicht so empfindlich, wie
es kein könnte, wenn man die achtfache Abhängigkeit
berücksichtigt. Sollte die numerische Apertur am
Eingang größer sein als jene am Berührungspunkt mit
der Faser, dann tritt die Eingangsstrahlung aus der
Faser an der Zwischenfläche aus und es ergibt sich
eine unerwünschte erhöhte Hintergrundfluoreszenz.
Es kann wichtig sein, die Halterungen für die Faser
so anzuordnen, daß wenigstens das Ende der Faser, in
das die Strahlung geschickt wird, genau positioniert
werden kann. Dabei findet eine Berührung zwischen der
Faser und der Halterung statt, und dadurch wird die
numerische Apertur insofern vermindert, als der
Brechungsindex des Haltematerials im allgemeinen
höher als n 1 ist. Um dieses Problem zu lösen, ist
es üblich die Faser wenigstens in der Nähe des Endes,
in das die Strahlung eingeschickt wird, mit einem Überzug
zu versehen, der im typischen Falle aus einem
hochmolekulargewichtigen Polymer besteht, um ein
Medium mit niedrigem Brechungsindex zwischen der
Halterung und der Faser anzuordnen. Ein solcher Überzug
kann auch opak sein und eine geringe Reflexionsfähigkeit
besitzen. Der Abschnitt der Faser, der mit
der Analytlösung oder der zu untersuchenden Probe in
Berührung kommen soll, verbleibt unüberzogen. Im
Idealfalle kann sämtliche Strahlung, die durch die
Faser geschickt wird, in zweckmäßiger Weise benutzt
werden, wenn der Brechungsindex des Überzuges
der gleiche ist wie der Brechungsindex der Probe.
Unglücklicherweise liegt der Brechungsindex der
meisten Überzugsmaterialien, die verfügbar sind,
bei etwa 1,40 bis 1,43. Derartige Brechungsindizes
begrenzen die maximale numerische Apertur auf ein
Volumen, welches sehr viel niedriger ist als jenes,
welches erlangt werden könnte, wenn ein Überzug mit
niedrigerem Brechungsindex zur Verfügung stände.
Zusätzlich kann die numerische Apertur dadurch verbessert
werden, daß die überzogene Faser einen Glaskern
mit höherem Brechungsindex besitzt, aber Gläser
mit sehr hohem Brechungsindex sind gegenwärtig kommerziell
als Fasern aus Plastik mit einem abstreifbaren
Überzug mit niedrigem Brechungsindex nicht verfügbar.
Eine Verbesserung in der numerischen Apertur kann
auch dadurch erreicht werden, daß gewährleistet
wird, daß der Strahlungsfluß über den maximalen
festen Akzeptanzwinkel des Systems so groß als möglich
ist. Ferner kann eine Verbesserung dadurch erzielt
werden, daß das überzogene Ende der Faser
präzise gelagert wird, und dies wird besonders wichtig,
wenn der gegenüber der Achse versetzte Winkel
der ankommenden Strahlung sehr groß ist. Dieses Lagererfordernis
ist sehr schwierig zu lösen im Hinblick
auf den sehr kleinen Durchmesser (z. B. ca. ≦ωτ350 µm)
bei Nachrichtenfasern, die gegenwärtig verfügbar sind.
Beispielsweise ist in der US-PS 40 50 895 die
Benutzung mehrerer halbkugelförmiger Linsen mit
ringförmiger Apertur beschrieben, um unter großem
Winkel ankommende Strahlung in die Faser einzukoppeln.
Um eine sehr hohe numerische Apertur auf diese Weise
zu erlangen ist es jedoch notwendig, hochkorrigierte
Linsen mit sehr flacher Tiefenschärfe zu benutzen.
Derartige Linsen sind schwierig herzustellen und
sehr kostspielig. Außerdem ist es schwierig, diese
Linsen auszurichten und außerdem haben diese Linsen
eine verminderte Durchlässigkeit infolge ihres Mehrelementaufbaus.
Gegenwärtig müssen für eine Beleuchtung
mit hoher numerischer Apertur Immersionssysteme
benutzt werden, aber diese Systeme sind unhandlich
und ebenfalls teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
optisches System zu schaffen, welches die
Notwendigkeit einer Immersionsoptik vermeidet, die
optische Durchlässigkeit der Faser verbessert, die
Verwendung von Beleuchtungslinsen mit größerer Tiefenschärfe
zuläßt, wobei außerdem noch eine verbesserte
numerische Apertur erreicht wird. So bezweckt die Erfindung
die Schaffung einer neuartigen optischen Faser
mit einer beträchtlich erhöhten numerischen Apertur.
Weiter soll eine optische Faser mit totaler Innenreflexionsübertragung
geschaffen werden, die die
Benutzung eines Überzugsmaterials mit üblichem
Brechungsindex zuläßt, wobei der Überzug benachbart
zur Halterung der Faser angeordnet werden kann.
Weitere Ziele der Erfindung bestehen darin, ein
verbessertes optisches System zu schaffen, welches
zur Durchführung von Analysen an einer Festkörper-
Flüssigkeits-Zwischenfläche unter Verwendung der
ATR-Technik ermöglicht; es soll ein optisches
System geschaffen werden, welches eine Faseroptik
mit verbesserter numerischer Apertur benutzt und
so eine erhöhte Empfindlichkeit hat; es wird ein
System geschaffen, bei welchem die erreichbare
numerische Apertur im wesentlichen so hoch gehalten
werden kann, wie dies durch den Brechungsindex der
Probe und der Faser möglich ist; es soll ein System
geschaffen werden, bei welchem die Wirkung des
Systemansprechens infolge Änderung des Brechungsindex
der zu untersuchenden Probe vermindert wird;
es soll ein System geschaffen werden, welches die
Möglichkeit schafft, Fasern größeren Durchmessers
zu benutzen als dies bisher praktisch möglich war,
so daß es einfacher wird, die Faser zu lagern und
auszurichten und somit ein robustes System geschaffen
werden kann; es soll ein System geschaffen werden, bei
dem die Eintrittsfläche beträchtlich vergrößert wird,
wodurch eine größere Lichtsammelwirkung erreicht wird,
wobei jedoch der Faserdurchmesser im Probebereich
vermindert ist, um dadurch eine größere Empfindlichkeit
zu erzielen; es soll ein System geschaffen
werden, bei welchem die Toleranzerfordernisse sowohl
in Querrichtung als auch in Achsrichtung der
Faser vermindert werden; es soll ein Verfahren zur
Verbesserung der numerischen Apertur in einem faseroptischen
Untersuchungssystems geschaffen werden.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch
gelöst, daß sich eine Faser graduell von
einer Eintrittspupille mit relativ großem Durchmesser
nach einem wesentlich kleineren Durchmesser
an einer Stelle verjüngt, die in Längsrichtung von
der Eintrittspupille entfernt liegt. Eine solche
verjüngte Faser hat eine Erhaltung des Durchsatzes
zur Folge, weil der Einfallswinkel der Strahlung
graduell ansteigt, wenn die Strahlung längs der
Faser von der Eintrittspupille nach dem Abschnitt
mit kleinerem Durchmesser hindurchtritt. Die numerische
Apertur der Strahlung in den Abschnitten mit
kleineren Querschnitten wird höher im umgekehrten Verhältnis
der Durchmesser. In anderen Worten ausgedrückt
bedeutet dies, daß das Licht, welches in der Faser
verläuft, winkelmäßig durch die Verjüngung des Mediums,
in dem der Strahl gefangen ist, komprimiert wird; das
Verhältnis der Durchmesser von großen und kleineren
Abschnitten der verjüngten Faser ist exakt invers zu
dem Verhältnis der numerischen Aperturen.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und
den vorstehenden Ansprüchen.
Die Erfindung umfaßt demgemäß eine Vorrichtung, welche
die Konstruktion und Kombination von Elementen und
Anordnungen von Teilen umfaßt, sowie ein Verfahren
mit verschiedenen Schritten, was sich ebenfalls aus
der folgenden Beschreibung ergibt.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in einem idealisierten vergrößerten
Längsschnitt eine Faser, die die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung
aufweist;
Fig. 2 in einem vergrößerten Längsschnitt einer
Untersuchungsvorrichtung, welche die
idealisierte optische Faser gemäß der
Erfindung enthält;
Fig. 3 eine Stirnansicht des Eingangsendes der
Untersuchungsvorrichtung nach Fig. 2;
Fig. 4 einen idealisierten vergrößerten Längsschnitt
einer abgewandelten Ausführungsform
eines Faseraufbaus, der die Prinzipien
der Erfindung verwirklicht;
Fig. 5 einen vergrößerten Längsschnitt einer
abgewandelten Untersuchungsvorrichtung
mit einer gemäß der Erfindung aufgebauten
optischen Faser;
Fig. 6 ein schematisches System, welches die
Faser gemäß der Erfindung als Übertragungselement
in einem typischen optischen Festkörperübertragungssystem
benutzt.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt, welches durch die Faser
20 verwirklicht wird. Letzteres stellt einen langgestreckten
Körper dar, der sich von einem Ende nach
dem anderen Ende bzw. von der Eintrittsstirnfläche 22
nach einem gegenüberliegenden Ende oder dem Austrittsende 24
erstreckt. Die Faser 20 hat vorzugsweise
einen kreisförmigen Querschnitt. An der Stirnseite 22
ist die Faseroberfläche im typischen Fall eben angeordnet
und die Fläche steht normal zur Längsachse der
Faser, und sie ist vorzugsweise fein poliert, um
alle Oberflächenfehler auszumerzen, die die einfallende
Strahlung streuen könnten.
Stattdessen könnte die Stirnseite 22 der Faser eine
andere gewünschte optische Gestalt aufweisen, um
z. B. als Vergrößerungsoberfläche oder als optische
Anpaßoberfläche zu wirken. Die Faser 20 ist so eingerichtet,
daß durch Vielfach-Total-Innenreflexion eine
optische Erregerstrahlung, die in die Stirnfläche 22
mit einem konischen Akzeptanzwinkel B im wesentlichen
symmetrisch zur Längsachse der Faser eintritt, über
die Länge forschreitet. Dies geschieht, wie dem Fachmann
bekannt, nach der Gleichung (1). Die Faser kann
aus einem Material bestehen, das aus einer sehr großen
Zahl von im wesentlichen homogenen Materialien ausgewählt
ist, die optisch transparent für die Erregerstrahlung
sind. Hierfür kommen Glasmaterialien in
Betracht, beispielsweise Glas, kristalline Materialien
wie Quarz, Saphir und dergleichen und synthetische
Polymere wie Polyolefin, Polypropylen und dergleichen.
Wenn die Faser 20 bei Flüssigkeitsuntersuchungen
benutzt wird, wie dies nachstehend beschrieben
wird, dann muß der Brechungsindex n 1 des die
Faser 20 bildenden Materials größer sein als n 2,
d. h. größer als der Brechungsindex der zu untersuchenden
Flüssigkeit. Der letztere Brechungsindex
liegt im typischen Fall bei etwa 1,3 für eine
wässrige Lösung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Faser 20 so
gestaltet, daß sie sich vorzugsweise graduell
glatt in Längsrichtung vom Eintrittsstirnende 22
nach dem Ende 24 hin verjüngt. Dieser graduelle
Übergang dient zur Vergrößerung der Eingangsstrahlkonvergenz
in gradueller Weise, ohne den kritischen
Winkel für die Faser zu überschreiten. Im Idealfall
sollte die Verjüngung der Faser 5° nicht überschreiten.
Im typischen Fall würde dann bei einer Faser
von mehreren mm Länge der Durchmesser sich glatt
verjüngen (d. h. nicht notwendigerweise linear, aber
im wesentlichen ohne Diskontinuitäten oder abrupte
Winkeländerungen im Verjüngungswinkel) von einem
Durchmesser von 1 mm an der Stirnseite 22 auf
wenige hundertstel µm am Ende 24. Wenn der Durchmesser
der Faser am Ende 24 schließlich kleiner wird
als ein gewisser Grenzwert, bei dem die maximale numerische
Apertur erlangt wird, dann entweicht die
Strahlung an diesem Punkt aus der Faser.
Im folgenden wird auf das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 Bezug genommen. Hier ist eine beispielsweise
Vorrichtung 26 dargestellt, um eine Flüssigkeit
zu untersuchen, und die Vorrichtung weist die
Prinzipien vorliegender Erfindung auf. Die Vorrichtung 26
weist eine optische Faser 20, eine
Umhüllung 28 und eine Halterung 30 auf, und sie
entspricht in vieler Hinsicht dem System gemäß
der US-PS 44 47 546.
Die Faser 20 gemäß Fig. 2 hat im wesentlichen die
Eigenschaften, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 beschrieben worden sind, mit
dem Unterschied, daß zum Zwecke einer Maximierung
der Erregung durch die Eingangsstrahlung der verjüngte
Abschnitt 32 zwischen dem Eingangsteil 34
und einem verlängerten Ausgangsteil 36 verläuft.
Die beiden letztgenannten Abschnitte besitzen vorzugsweise
im wesentlichen konstante Durchmesser.
Der Durchmesser des Eingangsabschnitts 34 ist dem
größeren Durchmesser des verjüngten Abschnitts 32
angepaßt, und der Durchmesser des Ausgangsabschnitts 36
ist dem kleineren Durchmesser des
verjüngten Abschnitts 32 angepaßt. Weil die Oberfläche
des Ausgangsabschnitts 36 als Aufnahme- oder
Sensorzone für die Untersuchung benutzt wird, erfolgt
die gesamte Aufnahme bei der höchsten numerischen
Apertur des Systems, d. h. an dem Ende mit
kleinerem Durchmesser der Faser. Bei einem Immun-
Untersuchungsgerät ist die Faser 20 im typischen
Fall etwa 25 mm lang. Es ist jedoch klar, daß diese
Länge nur ein Beispiel ist und keine Beschränkung
darstellt.
Die Halterung 30 ist einfach als kurze Hülse,
als Überzug oder als Endring 38 dargestellt, der
einen kurzen Abschnitt der Faser 20 benachbart
zur Stirnfläche 22 umschließt und radial hiervon
in Berührung mit einem Teil der inneren Oberfläche
der Umhüllung 28 benachbar zu einem Ende
von letzterer verläuft. Wie insbesondere in
Fig. 3 dargestellt, ist der Endring 38 vorzugsweise
mit einem oder mehreren Löchern 40 versehen,
die im wesentlichen parallel zur Achse
der Faser 20 verlaufen, so daß eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Volumen benachbar zu
beiden Enden des Endringes geschaffen wird. Die
primäre Funktion des Endringes 38 besteht darin,
die Faser 20 derart festzulegen, daß die Eingangsstrahlung
genau auf die Oberfläche 22 gerichtet
werden kann, und es soll die Faser 20 im Abstand
zu der inneren Oberfläche der Umhüllung 28 gehalten
werden. Weil der Endring 38 notwendigerweise mit
einem Abschnitt der Oberfläche der Faser 20 in
Berührung stehen muß, kann eine störende Beeinflussung
der numerischen Apertur der Faser bewirkt
werden, so daß es sehr zweckmäßig ist, die
Berührung zwischen dem Endring und der Faser soweit
aus mechanischen Gründen möglich zu begrenzen,
und es ist außerdem zweckmäßig, die Faser aus einem
Material, z. B. Siloxan zu fertigen, die einen hohen
Brechungsindex aufweist, vorzugsweise in der Nähe
des Brechungsindex der zu prüfenden Flüssigkeit
oder angepaßt auf diese.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel soll ein Arbeitsabschnitt,
beispielsweise der langgestreckte Ausgangsteil 36
der Faseroberfläche als "aktivierter
Bereich" definiert werden, an dem die Untersuchung
durchgeführt wird. Der Abschnitt 36 kann durch
einen zusätzlichen Überzug begrenzt werden, der
an entgegengesetzten Enden der Faseroberfläche
so zugesetzt wird, daß nur der gewünschte Abschnitt
der Faser unbedeckt bleibt. Die Dimensionen
des aktivierten Bereichs können natürlich auch
durch andere Techniken gesteuert werden, und tatsächlich
könnte im wesentlichen die Gesamtlänge
der Faser hinter dem Endring den aktivierten Bereich
bilden. Wie jedoch erwähnt, ist es erwünscht den
aktiven Bereich als Zylinder konstanten Durchmessers
zu gestalten, und zwar der höchst verfügbaren
numerischen Apertur, um dem System die höchste
Empfindlichkeit zu verleihen. Um die Oberfläche
des Abschnitts 36 zu aktivieren, wird letztere im
typischen Fall mit einem Reagenz überzogen, wie
dies in der US-PS 44 47 546 beschrieben ist.
Die Umhüllung 28 ist ein Rohr, welches vorzugsweise,
aber nicht notwendigerweise optisch transparent ist,
jedoch aus einem Material besteht, welches in der
zu untersuchenden Flüssigkeit relativ unlöslich ist
und mit dieser Flüsigkeit chemisch nicht reagiert.
Im typischen Fall ist die Umhüllung 28 einfach ein
Glasrohr mit einem Innendurchmesser, der größer ist
als der maximale Ausßendurchmesser der Faser 20, wobei
das Rohr vorzugsweise so dimensioniert ist, daß
ein vorbestimmtes Volumen begrenzt wird, das
wenigstens die aktivierte Oberfläche des Faserabschnitts 36
umschließt.
Die Herstellung der verjüngten Faser kann sehr
einfach dadurch verwirklicht werden, daß z. B.
von einem kommerziell verfügbaren Galsfaserkern
konstanten Durchmessers (z. B. mit 500 µm) ausgegangen
wird, daß die Faser örtlich mit einem Brenner
oder einer elektrischen Heizeinrichtung erhitzt wird
bis ein örtlicher Abschnitt der Faser plastisch wird,
und indem dann die Faser mit einer Rate und mit
einer Temperaturverteilung derart abgezogen wird,
daß sie die Faser auf einen verminderten Durchmesser
von beispielsweise 300 µm verjüngt. Der
minimal annehmbare Verjüngungswinkel wird durch
praktische Erwägungen wie z. B. die zulässige Länge
der Faser bestimmt, aber der maximale Verjüngungswinkel
sollte jenen nicht überschreiben, der notwendig
ist, um die kritische Winkelbeziehung aufrechtzuerhalten,
die notwendig ist, um die Übertragung
durch innere Totalreflexion vornehmen zu können, und
dies hängt vom Brechungsindex des Fasermaterials ab.
Für einen Faserkern aus geschmolzenem Quarz beispielsweise
sollte der Verjüngungswinkel vorzugsweise unter
etwa 5° gehalten werden. Die verjüngte Faser kann
dann an jeder gewünschten Stelle abgetrennt werden.
Die Festlegung von Zeit, Temperatur, Abzugsrate und
Temperaturverteilung hängt dann natürlich im großen
Maß von den physikalischen Eigenschaften des speziellen,
für die Faser gewählten Materials ab.
Es können andere bekannte Verfahren zum Abziehen
oder Erzeugen einer verjüngten Faser benutzt
werden. Die vorliegende Erfindung bietet sich
überraschenderweise an zur Erzeugung einer Doppelleitfaser,
d. h. einer Faser die in der Lage ist,
Licht vom Eingangsende nach dem entfernt liegenden
distalen Ende zu übertragen und dann das Licht
durch die Faser nach dem Eintrittsende zurück zu
reflektieren. Eine solche distale Reflexionsoberfläche,
die am Ende 42 gemäß Fig. 2 vorgesehen ist,
kann leicht einfach dadurch erzeugt werden, daß die
Faser an jener Stelle erhitzt wird und die Faser
mit einer Rate abgezogen wird, die groß genug ist
um die Faser zu zerreißen, und es wird ein Ende mit
einem großen Winkel erzeugt, der als Spiegel dient
und in der Lage ist, Licht in der Gegenrichtung zu
reflektieren. Das Ende 42 kann in der Wirkung gleich
sein einem prismatischem Reflektor. Es kann jedoch
noch einfacher ohne Probleme erzeugt werden,
die der Herstellung üblicher Spiegel anhaften, beispielsweise
das Schleifen, Polieren und dergleichen.
Natürlich kann das Ende 42 einfach so gesteltet
werden, daß das Licht austritt, wenn die Fluoreszenz
am Eingang 22 ohne Interferenz der Erregerstrahlung
beobachtet wird.
Wenn die Ausführungsform nach Fig. 2 in Betrieb
genommen wird, ist die Faser 20 mit einem Überzug
43 aus irgendeinem Aktivierungsmittel überzogen
(z. B. mit einem Bestandteil eines Antikörper-Antigen-
Komplexes, der eine fluoriszierende Markierung aufweist),
und die Faser wird dem gleichen Verfahren
unterworfen, wie in der US-PS 44 47 546
dargestellt. Der Zwichenraum 44 zwischen der
Umhüllung 28 und der Faser 20 wird mit einer
flüssigen Probe des zu untersuchenden Materials
angefüllt und falls erforderlich, beläßt man die
Probe bis zum Ablauf der Inkubationszeit. Wie aus
Fig. 2 ersichtlich, wird die Vorrichtung in Verbindung
mit einem Fluorimeter 45 benutzt, der eine
Erregerstrahlungsquelle aufweist, vorzugsweise
einen Festkörper-Strahlungssender oder einen Laser,
so daß die Wellenlänge der Strahlung präzise festgestellt
werden kann. Die Eintrittsfläche 20 wird
mit der Erregerstrahlung beleuchtet und letztere
ist im typischen Fall in der Lage, Fluoreszenz in
dem Volumen zu erregen oder zu induzieren, welches
benachbart zur Oberfläche des Abschnitts 26 liegt,
und zwar erfolgt die Erregung durch eine abklingende
Welle, die die Aussendung der Strahlung längs der
Faser begleitet. Die Erregerstrahlung wird winkelmäßig
vom Eingangssender der Faser nach dem überzogenen
Abschnitt durch die Verjüngung der Faser
zusammengepreßt, wodurch die numerische Apertur
beträchtlich vergrößert wird. Weil die numerische
Apertur des Abschnitts 36 so viel größer ist als
die der Fläche 22, wird das durch die abklingende
Welle zu erregende Reagenz einer beträchtlich
größeren Erregerintensität ausgesetzt als dies
der Fall wäre bei einer nicht verjüngten Faser mit
gleichem Durchmesser an der Eintrittsfläche. Die
induzierte Fluoreszenz wird dann durch Tunnelwirkung
in der Faser von dem erregten Material
zurückgeschickt und durch ein Photometer 45
abgelesen.
Stattdessen kann man den Detektor des Photometers
am distalen Ende der Faser anordnen, um die austretende
Fluoreszenz zu messen. In diesem Fall
muß jedoch Vorsorge dafür getroffen werden, daß
zwischen der Erregerstrahlung und der fluoreszierenden
Strahlung unterschieden wird, indem
eine Ausfilterung erfolgt.
Im Hinblick auf eine maximale Empfindlichkeit eines
Untersuchungssystems gemäß der Erfindung ist es
höchst erwünscht, so nahe als möglich an die
maximale numerische Apertur heranzukommen. Wie
erwähnt, bewirkt eine zu geringe Apertur einen
Signalverlust mit 8-fachem Wert, und eine zu
große bewirkt eine Abstrahlung und es geht ein
Teil des Signals verloren und die Hintergrund-
Fluoreszenz wird erhöht. Um Fasern zu reproduzieren,
die die maximale numerische Apertur ergeben,
muß eine genaue Reproduktion von Faser zu
Faser mit dem gleichen Durchmessverhältnis
zwischen Eingangsfläche und Empfindlichkeitsbereich
der Faser gewährleistet sein, was unrealistische
Herstellungstoleranzen bedingen würde.
Dies Problem kann dadurch beseitigt werden, daß
die Faser am Eintrittsende etwas größer als
erforderlich hergestellt wird, d. h. mit einem
Durchmesserverhältnis d i /d f , das etwas zu groß
ist, wobei d i der Durchmesser am Eingangsende
und d f der Durchmesser am Empfindlichkeitspunkt
der Faser ist. Bei einem solchen Aufbau beginnt
die Strahlung aus der Faser herauszutreten, wenn
sie den Untersuchungs-Bedeckungsabschnitt der
Faser erreicht, wobei der niedrigere Brechungsindex
von Luft in der Umgebung bis zu jenem Punkt
einen Energieverlust durch die Faseroberfläche verhindert.
Dies stellt eine Begrenzung hinsichtlich
des maximal ausnutzbaren Durchmesserverhältnisses
dar. Letzteres sollte größer sein als durch die
Faser/Proben-Zwischenfläche bedingt, jedoch kleiner
als jenes, bei der einen totale innere Reflexion an
der Faser-Luft-Zwischenfläche gewährleistet ist. Diese Gleichung kann ausgedrückt werden als:
dabei ist n 0 der Brechungsindex der Faser, n 1 der
Brechungsindex der Probe und NA i ist die numerische
Apertur der Eintrittsoberfläche der Faser. Unter
diesen Bedingungen bleibt das zusätzliche Licht,
welches durch die größere Eingangsfläche gesammelt
wird, in der Faser bis es jenen Punkt oder jene
Zone erreicht, wo das Umgebungsmedium den gleichen
Brechungsindex wie die Probe hat. Weil das größere
d i einen größeren Energieeingang bewirkt, läßt der
Energieverlust die Gesamtenergie-Übertragung
gleich werden, weil bei einem System mit kleinerem
d i ohne Abstrahlung, aber die abgestrahlte Energie
darf keine Hintergrundstörung bewirken. Aus diesem
Grund ist, wie in Fig. 4 dargestellt (bei der
gleichen Bezugszeichen gleiche Teile, wie bei dem
Ausführungsbeispiel Fig. 2 kennzeichnen),
die Faser in der Nähe der Verbindung zwischen den
Abschnitten 32 und 36, wo die Strahlung aus der
Faser austritt und Hintergrundprobleme verursacht,
mit einem Strahlungsabsorptionskragen 42 in Berührung
mit der Faser versehen, der den Umfang umschließt
und aus einem Material gefertigt ist,
dessen Brechungsindex am Brechungsindex der Probenlösung
so nahe als möglich angepaßt ist. So kann
beispielsweise bei wässrigen Proben der Kragen 42
ein Gel sein, welches mit einer Absorptionsfarbe
oder kohlenstoffschwarz angefüllt ist, oder es
kann einfach ein Ring aus strahlungsabsorbierendem
Plastikmaterial sein, beispielsweise aus schwarzem
Polytetrafluoräthylen.
Die Vergrößerung der Durchmesserverhältnisse senkt
nicht nur die Anforderung an die Herstellungstoleranzen,
sondern dient auch dazu, die Einstellungstoleranz-
Erfordernisse sowohl in Achsrichtung
als auch quer dazu für die Faser in einem
Untersuchungssystem zu verringern. Die Vergrößerung
der Fläche am Eingangsende vermindert natürlich die
Quereinstellungs-Toleranz-Erfordernisse, weil in
einem solchen Fall ein fokussierter Strahl einen
größeren Abstand besitzt, um quer auszuwandern
bevor die Eintrittsfläche verlassen wird. Weil
die Fläche ansteigt, wird auch der Akzeptanzwinkel B
verringert, der erforderlich ist um die
gleiche numerische Apertur zu erhalten. Die zulässige
Fokussierungstiefe in der Eingangsoptik
wird vergrößert und die axialen Toleranzen, die
an der Eingangsfläche der Faser erforderlich
sind, um innerhalb der Schärfentiefe zu bleiben,
wird vermindert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung
eines mit optischer Faser arbeitenden Untersuchungsgerätes
mit einer hohen numerischen Apertur, die
erreicht werden kann, unter Berücksichtigung der
Begrenzung im Hinblick auf den Brechungsindex
der Probe und dem Index des Faserkerns. Da man von
einen Glas-"Stab" ausgehen kann und nicht notwendigerweise
von einer feinen Faser, wie in der
US-PS 44 47 546 beschrieben, ist man nicht mehr
beschränkt, im Hinblick auf die Benutzung von Glas,
das beispielsweise bei Nachrichtenübertragungssträngen
benutzt wird, und deshalb kann man Gläser
mit sehr hohem Brechungsindex benutzen, wodurch
weiter die maximale numerische Apertur verbessert
wird, die am Faserabschnitt in Berührung mit der
Probe erlangt werden kann. Tatsächlich kann die
maximale numerische Apertur an der Probe nunmehr
größer werden als die Einheit. Um dies ohne Verjüngung
der Faser zu erreichen, müßte die Beleuchtungsvorrichtung
ein Immersionssystem aufweisen.
In anderen Worten ausgedrückt heißt dies:
Da die numerische Apertur der verjüngten Faser
am Eingang kleiner als die numerische Apertur
gemacht werden kann, die innerhalb der verjüngten
Faser an der Berührungsstelle mit der Probe besteht,
kann das Eintauchen wegfallen durch Benutzung
einer Faser, die einen Eingangsdurchmesser
besitzt, der groß genug ist um zu gewährleisten, daß
die numerische Apertur des Eingangs unter dem Einheitswert
bleibt.
Die Benutzung der verjüngten Faser gemäß der Erfindung
ermöglicht die Benutzung von Eintrittslinsen
kleinerer numerischer Apertur. Solche
Linsen kleinerer numerischer Apertur sind billiger,
einfacher herzustellen, besser zu korrigieren und
haben eine bessere Durchlässigkeit und eine bessere
Tiefenschärfe, so daß eine Fokussierung weniger
kritisch ist.
Weil die verjüngte Faser selbst (wenigstens am Ende,
wo sie gehaltert oder gelagert wird) im Durchmesser
größer sein kann als bei bekannten Untersuchungsvorrichtungen,
kann die verjüngte Faser benutzt
werden, um ein System zu konstruieren, welches
unempfindlich ist und geringere Toleranzanforderungen
im Hinblick auf eine Positionierung stellt.
Weil das Eintrittsende bzw. das weite Ende der
verjüngten Faser keine numerische Apertur haben muß,
die so groß ist wie beim Stande der Technik erforderlich,
kann der Überzug jedem vernünftigen Brechungsindex
angepaßt werden und das Problem der Halterung
und der Lagerung der Fasern wird beträchtlich
verringert.
Bei Untersuchungsgeräten, die optische Fasern
benutzen, sollten kleine unkontrollierbare Veränderungen
des Brechungsindex der Probe nur eine
vernachlässigbare Wirkung auf die Ablesung haben.
Geringe Veränderungen des Brechungsindex in der
Oberflächenschicht sind auch schwer zu kontrollieren,
weil sie von der Art und Weise abhängen, auf
die das Reagenz, beispielsweise eine Antikörperschicht,
auf die Oberfläche der Faser aufgebracht
wurde. Weil die erfindungsgemäß verjüngt ausgebildeten
Fasern so die wirksame numerische Apertur
verbessern und man Fasern mit hohem Brechungsindex
in solchen Vorrichtungen benutzen kann, wird die
Wichtigkeit der Steuerung des Oberflächenfilms
und der Hintergrund der Brechungsindizes stark
vermindert, und es sind bessere Lösungen möglich.
Beispielsweise können bei einem Untersuchungsgerät,
welches eine verjüngte Faser mit einem Brechungsindex
von 1,76 benutzt, Messungen durchgeführt
werden, die Proben von Wasser mit Serum aufweisen,
und diese zeigten eine Ansprechänderung von etwa
10% im Vergleich mit einem Faktor von etwa 2 bei
einem System, welches die herkömmlichen zylindrischen
nicht verjüngten Fasern benutzt.
Die Vorteile der Benutzung einer verjüngten Faser
bei einer Fluoreszenz-Untersuchungsvorrichtung
sind ganz beträchtlich. Die Grenze der numerischen
Apertur für flüssige Proben beträgt bei Normalfasern
rund 0,3, wenn man einen ausgedehnten
Überzug benutzt, oder 0,4 wenn nur kurze Segmente
von Überzug benutzt werden, und gewisse
Verluste im Überzug zugelassen werden. Bei einer
verjüngten Faser gemäß der Erfindung sind numerische
Aperturen von über 1,0 leicht erlangbar.
Um eine Optimierung für eine spezielle, zu
untersuchende Probe zu bewirken, sollte das Verjüngsungsverhältnis
so gewählt werden, daß das
Verhältnis der numerischen Aperturen die gewünschte
endgültige numerische Apertur der Probe
liefert. Die maximal erlangbare numerische Apertur
ist die Quadratwurzel aus dem quadrierten
Faserindex minus dem quadrierten Probenindex. So
beträgt beispielsweise die maximale numerische
Apertur 1,12 für eine Faser mit hohen Brechungsindex
von 1,76 und einem Brechungsindex von 1,351
der Probe. Diese hohe numerische Apertur ergibt
einen Faktor, der eine um wenigstens 500 mal
größere Empfindlichkeit liefert als bei herkömmlichen
zylindrischen Fasern.
Die Verbesserung des Signals der Untersuchungsvorrichtung
mit einer numerischen Apertur wie erwähnt,
ist optimal im Hinblick auf vier Faktoren:
einen quadratischen Faktor in der Lichtsammelleitung
des Systems; ein quadratischer Faktor in der Wirksamkeit
der Erregung der abklingenden Welle; ein quadratischer
Faktor in der Wirksamkeit der Sammlung
des Fluoreszenz erzeugt durch die abklingende Welle,
und ein quadratischer Faktor im festen Sammelwinkel
für die Fluoreszenz. Jedoch besteht eine
Verminderung der Festigkeit der Kopplung mit
einem Ansteigen des Faserindexes, so daß bei hohen
numerischen Aperturen eine achtfache Verbesserung
nicht zu erwarten ist. So findet man bei einer
Untersuchungsvorrichtung mit verjüngten Fasern
und einer hohen numerischen Apertur eine Verbesserung
gegenüber dem Stande der Technik mit
einem maximalen Faktor von etwa 500 anstatt 10 000-
facher theoretischer Verbesserung. Diese Verbesserung
tritt auf, weil die Dicke der abklingenden
Zone bei hoher numerischer Apertur kleiner
wird, und deshalb ein geringeres Volumen geprüft
wird. Es besteht eine Dickenwirkung für die Massenproben,
und wo die Dickenwirkung bei einer
kleinen Faser fehlt, besteht eine kleine weitere
Wirkung infolge der Fasermißanpassung und einer
Veränderung der Strahlung über der Zwischenfläche.
Bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Faser
wurden die Abschnitte 32 und 36 als homogen wenigstens
im Prinzip angesehen, aber dies ist nicht
notwendig und in gewissen Fällen auch gar nicht
erwünscht. Wie insbesondere in Fig. 5 dargestellt,
kann die Faser 20 aus zwei stirnseitig aneinanderstoßenden
Abschnitten 46 und 48 gebildet sein, die
den Abschnitten 32 und 36 entsprechen, jedoch ist
der verjüngte Abschnitt 46 aus einem klaren synthetischen
Polymer, beispielsweise Polymethylmethacrylat
hergestellt, während der Abschnitt 48
aus einem optischen Glas besteht. Dabei wurde
die Verbindung zwischen den Abschnitten sorgfältig
hergestellt, um eine maximale Übertragung
der längs der Faser fortschreitenden Strahlung
zu gewährleisten.
Wie in Fig. 6 dargestellt, findet die erfindungsgemäße
Faser im wesentlichen als Übertragungselement
Anwendung, um den Durchmesser von Eingangs-
Ausgangsoptiken in Übertragungssystemen anzupassen.
In Fig. 6 ist die Faser 20 mit einer Eingangsfläche 22
an einer optischen Festkörperquelle 50,
beispielsweise einem Laser oder einer Leuchtdiode
angeschlossen,
die normalerweise in ihrer
Größe nicht vermindert werden können, und das
distale Ende 24 der Faser 20 ist an den Eingang
einer optischen Faser 52 mit Transmissionsqualität
gekoppelt. Der Ausgang letzterer wiederum ist mit
einem photoelektrischen Sensor 54 verbunden.
Stattdessen kann, falls eine weitere Übertragung
erforderlich ist, der Ausgang der Faser 52 an das
kleinere Ende einer weiteren gleichen Faser 20 angeschlossen
werden, dessen größeres Ende dann mit
einem Sensor 54 gekoppelt wird.
Es können zahlreiche Abwandlungen getroffen werden,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die
Zeichnung stellt nur wenige denkbare Beispiele dar.
Claims (13)
1. Optische Vorrichtung, die in Kombination
eine Strahlungsquelle und eine optische
Faser aufweist, die für die Strahlung durchlässig
ist und eine Eingangsfläche besitzt, in
der die Strahlung eingeleitet werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faser sich
glatt derart verjüngt, daß der Durchmesser
zwischen dem Eingangsende und einer Stelle
verjüngt wird, die in Längsrichtung der
Faser entfernt liegt.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faser vom
Eintrittsende konisch verjüngt ist mit einem
Verjüngungswinkel von nicht mehr als 5°.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle
ein Festkörper-Strahlungssender ist.
4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle
ein Laser ist.
5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor
optisch mit der Eintrittsfläche gekoppelt
ist, um Strahlung festzustellen, die durch
die Faser zurückläuft.
6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die numerische
Apertur am gegenüberliegenden Ende der
Faser größer als 1,0 für die von Luft umgebene
Faser ist.
7. Optische Vorichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sie einen strahlungsabsorbierenden
Kragen aufweist, der in Berührung
mit der Faser um diese zwischen dem Eintrittsende
und der Prüfstelle gelegt ist.
8. Optische Vorrichtung zur Durchführung von
Immununtersuchungen mit einem Reagenzmittel,
welches eine fluoreszierende Markierung enthält
die in der Lage ist, eine fluoreszierende
Strahlung zu emittieren, wenn eine Erregung
durch eine Erregerstrahlung erfolgt, wobei
die Vorrichtung eine optische Faser aufweist,
die sowohl für die Erregerstrahlung als auch
für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist
und eine Eintrittsfläche aufweist, in die
die Erregerstrahlung eingeleitet wird, um
über die Faserlänge fortzuschreiten und
innerhalb einer Zone, die wenigstens teilweise
von der Oberfläche der Faser gebunden
ist, eine abklingende Welle zu erzeugen,
die in der Lage ist, Fluoreszenzstrahlung
von Markierungen zu erregen, die in der
Zone angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faser glatt
verjüngt derart ausgebildet ist, daß sich
ihr Durchmesser zwischen dem Eintrittsende
und einer Stelle im Abstand längs der Faser
ändert.
9. Optische Vorichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Reagenzmittel
ein Antigen-Antikörper-Komplex ist.
10. Optische Vorichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen
sind, um ein Volumen zu begrenzen, und daß
dieses Mittel die erste Zone einschließlich, und
daß das Volumen wenigstens teilweise durch
jenen Abschnitt der Faseroberfläche abgegrenzt
ist.
11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen kapillare
Dimensionen besitzt.
12. Optische Vorichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
zur Begrenzung eine langgestreckte Umhüllung
aufweisen, die im Abstand von
wenigstens einem Abschnitt der Faseroberfläche
diese umschließend angeordnet ist.
13. Optische Vorichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faser glatt
derart verjüngt ausgebildet ist, daß sich
ihr Durchmesser von dem Eintrittsende nach
dem gegenüberliegenden Ende der Faser verringert.
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