DE68915141T2 - Immuntestvorrichtung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für chemische und biochemische Untersuchungen, insbesondere eine verbesserte Faseroptikvorrichtung für solche Untersuchungen.
• Bekannt sind optische Systeme, die die Prinzipien der Spektroskopie mit geschwächter, totaler Innenreflektion (ATR) befolgen und für eine chemische und biochemische Analyse oder Untersuchung brauchbar sind. Beispielsweise offenbart das US- Patent 4133639 ein System, das auf der Absorption der abklingenden Welle durch den Analyten fußt. Die US-Patente 4321057 und 4399099 offenbaren Systeme, die die Änderungen der durch die Faser laufenden Strahlung erkennen, während das US-Patent 4447546 ein mit Fluoreszenz arbeitendes Immuntestsystem beschreibt.
• Bei der im genannten US-Patent 4447546 von Hirschfeld beschriebenen Vorrichtung wird eine optische Faser in einer Kapillarröhre in etwa konzentrischer Ausrichtung gehalten. Eine Flüssigkeitsprobe wird in den Zwischenraum zwischen der Faser und der Röhre geschickt und durch Kapillarwirkung in den Zwischenraum hineingezogen und dort gehalten. Um die Empfindlichkeit und die Wirksamkeit einer derartigen Immuntestvorrichtung zu maximieren, ist es wichtig, daß die Faser einen Abstand von den Innenwänden der Kapillarrötre behält. Wenn die Faser die Kapillarwand berührt, kann die Kapillarwirkung negativ beeinflußt und keine totale Innenreflektion erreicht werden, da die Strahlung die Faser am Berührungspunkt zwischen der Faser und der Kapillarwand mit begleitendem Empfindlichkeitsverlust verläßt.
• Es ist wichtig, daß das Faserende, in das optische Strahlung eingespeist wird und von dem Fluoreszenzstrahlung ausgeht, in einer festen axialen Lage hinsichtlich eines optischen Systems zur Übertragung optischer Strahlung in die Faser und aus der Faser heraus gehalten wird. In dem Fall, in dem das Faserende nicht in einer festen Lage hinsichtlich dieses optischen Systems gehalten wird, kann sich die Menge und die Orientierung der in die Faser eingespeisten Strahlung ändern, wobei die Genauigkeit und die Empfindlichkeit der Vorrichtung negativ beeinflußt werden.
• Verschiedene Methoden sind bei bekannten Immuntestvorrichtungen angewandt worden, um die optische Faser in einer Kapillarröhre richtig zu halten. Die älteste Methode besteht darin, das Nahende (das ist das Ende, in das die Strahlung eingespeist wird) der optischen Faser mit einem üblichen faseroptischen Verbindungsglied zu halten. Die Verwendung solcher Verbindungsglieder bedingt, daß die Außenfläche der Faser in der Nähe des Nahendes mit einem Plattierungsmaterial beschichtet wird, das in typischer Weise aus einem transparenten Polymer mit hohem Molkulargewicht besteht. Die bekannten Plattierungsmaterialien haben in typischer Weise eine höhere Brechungszahl als die der Probe, beispielsweise 1,40 bis 1,45, so daß die numerische Apertur der Faser auf einen Wert vermindert wird, mit dem die Vorrichtung keine annehmbaren Empfindlichkeitswerte erreichen kann.
• Eine andere, im US-Patent 4671938 beschriebene Methode besteht darin, die Faser am Fernende (das ist das Ende, das dem Faserende gegenüberliegt, in das die optische Strahlung eingespeist wird) an einem einseitig eingespannten Träger zu halten. Das durch diese Trägerhalterung festgelegte Fasernahende ist aber axial und radial verschiebbar, wodurch ein Empfindlichkeitsverlust der Vorrichtung verursacht wird. Wenn ferner die Faser in einer Kapillarröhre derart angeordnet ist, daß eine zu untersuchende Flüssigkeitsprobe in den Zwischenraum zwischen der Faser und der Kapillarröhre eingeleitet werden kann, hat das das Fasernahende umgebende Röhrenende bisher nicht ohne Schwierigkait abgedichtet werden können, damit Probenverluste verhindert werden. Die am Röhrenende gebildete, torische Flüssigkeitslinse kann dazu verwendet werden, das Herausfließen der Flüssigkeit aus diesem Kapillarröhrenende zu verhindern, sie neigt aber zum Zusammenbruch, wenn sie einem Stoß, einer Vibration, hohem Druck oder ähnlichem unterworfen wird. Wenn die zu untersuchende Probe hochgiftig oder hochinfektiös ist, ist so ein gelegentliches Hindernis unannehmbar.
• Bei einer weiteren Methode zur Halten der Faser sind die Faser und die sie umgebende Kapillarröhre so angeordnet, daß eine Befestigungsvorrichtung an einer optischen Einrichtung befestigt wird, die eine Anregungsstrahlung in das Fasernahende eingibt und die die vom Fasernahende ausgesandte Fluoreszenzstrahlung empfängt. Die Befestigungsvorrichtung umfaßt eine Befestigungsanordnung zur Zentrierung der Faser in der Kapillarröhre und zur Vorspannung der Faser in einer ersten Richtung gegen einen Ringsitz. Letzterer ist so gestaltet, daß ein Faserende derart gehalten wird, daß die in die Faser eingespeiste Strahlung nicht vom Ringsitz abgefangen wird.
• Bei solchen, mit totaler Innenreflexion arbeitenden Systemen nehmen die abklingende Zone um die Faser in ihrer Tiefe und die Systemempfindlichkeit zu, weil die numerische Apertur zunimmt. Außerdem ist die Stärke des in die Faser zurücktunnelnden Fluoreszenzsignals proportional zu einer sehr hohen Leistung der numerischen Apertur (wie teilsweise durch die Brechungszahl der Probe, in der Fluoreszenz angeregt wird, definiert ist). Daher wird angestrebt, daß die numerische Apertur des Systems maximiert wird, insbesondere indem man die Eingangstrahlung mit einem möglichst hohen Fluß gegenüber einem maximalen räumlichen Öffnungswinkel ausstattet. Eine derartige Maximierung ist bisher bei der erstgenannten Methode zur Faserbefestigung und -halterung begrenzt worden, insbesondere in dem Fall, in dem der Durchmesser der benutzten Faser sehr klein ist, beispielsweise 300-400 Mikron. Um sehr hohe numerische Aperturen zu erreichen, bei denen eine getrennte Befestigungsvorrichtung benutzt wird, hat man bisher in typischer Weise Hochkorrekturlinsen mit flacher Schärfentiefe verwendet. Solche Linsen sind teuer, schwierig herzustellen und schwer in Ausrichtung zu halten.
• Faseroptische Untersuchungssysteme mit einer zur Verfügung stehenden, eine optische Faser aufweisenden Anordnung sind dort brauchbar, wo das Vorhandensein von schädlichen Viren festgestellt werden soll. Die mit einer optischen Faser arbeitende Anordnung, die die potentiell schädlichen Viren enthaltende Flüssigkeitsprobe erhält, steht bereits zur Verfügung. Um die Wirksamkeit solcher wichtigen und weitbenutzten Untersuchungsverfahren zu verbessern und deren Kosten zu vermindern, muß die faseroptische Anordnung des Untersuchungssystems leicht auswechselbar sein, ohne daß die gewünschte, hohe, numerische Apertur verringert wird.
• Die Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes faseroptisches Untersuchungssystem zu schaffen, bei dem die vorgenannten Probleme bekannter Systeme gelöst sind.
• Gemäß dieser Erfindung ist die Vorrichtung zur Untersuchung einer Flüssigkeitsprobe mit Anregungsstrahlung einer Strahlungsquelle, wobei die Strahlung Fluoreszenz in einem Fluoreszenzmaterial anregen kann und die Vorrichtung eine total innenreflektierende, längliche Faser aufweist, in deren eines Ende die Strahlung eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Leitkopf aufweist, der mit dem einen Ende der Faser fest verbunden ist, wodurch ein verlängertes, sowohl die Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenz übertragendes Substrat gebildet ist, daß die Faser und der Leitkopf derart angepaßte Brechungszahlen haben, daß die Grenzfläche zwischen der Faser und dem Leitkopf infolge der Fortpflanzung der Strahlung durch das Substrat keine optische Unstetigkeit aufweist, und daß der Leitkopf so bemessen ist, daß der maximale, räumliche Öffnungswinkel für die Anregungsstrahlung ins Ende ganz im Übertragungsmedium des Leitkopfs liegt.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Untersuchungsvorrichtung, die ein faseroptisches System darstellt und nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung arbeitet,
• Fig. 2 einen idealisierten, vergrößerten Längsschnitt des faseroptischen Systems der Fig. 1 und
• Fig. 3 eine Draufsicht auf die Nahseite des Systems der Fig. 2.
• In Fig. 1 ist eine beispielhafte Vorrichtung 20 zur Untersuchung einer Flüssigkeitsprobe dargestellt, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Vorrichtung 20 weist ein optisches System auf, das mit einer Lichtquelle 22, einem Lichtdetektor 24, einem Strahlungsaufteiler, wie einem zweifarbigen oder halbdurchlässigen Spiegel 26, und mit Fokussiermitteln, wie exemplarisch durch die Linse 28 angedeutet ist, ausgestattet ist. Die vorgenannten Elemente des optischen Systems sind in einem Rahmen 30 in fester optischer Beziehung zueinander und zur Untersuchungsvorrichtung 32 angeordnet, wie noch näher beschrieben wird. Daher wird ein Lichtbündel bzw. Lichtstrahl 34 (als gestrichelte Linie gezeigt), der von der Lichtquelle 22 erzeugt wird, durch den Spiegel 26 derart reflektiert, daß er durch die Linse 28 und in die Untersuchungsvorrichtung 32 läuft.
• Die im einzelnen in den Figuren 2 und 3 gezeigte Vorrichtung 32 umfaßt einen optischen Stab oder eine optische Faser 36 und einen hohlen, länglichen Mantel 38, der mindestens einen Teil der Faser 36 umgibt und der von der Faser um einen Zwischenraum 39 entfernt, vorzugsweise gleichmäßig entfernt ist. Die Faser 36 bildet einen länglichen Körper, der im wesentlichen für die Anregungsstrahlung, den Lichtstrahl 34, und auch für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist, die durch die Anregungsstrahlung angeregt wird und in der Wellenabklingzone um die Faser durch Anregung des Fluoreszenzmaterials in dieser Zone entsteht. Die Faser 36 hat einen im wesentlichen runden Querschnitt mit konstantem Radius, obwohl die Faser bei manchen Ausführungen konisch zulaufen kann. Es sei darauf hingewiesen, daß der hier benutzte Begriff "Faser" für längliche, optisch durchlässige Körper steht (beispielsweise glasartige, kristalline und synthetische, polymere Materialien). Für Untersuchungszwecke hat die Faser in typischer Weise die Form eines Stabs, der einen Durchmesser von 1mm und eine Länge von etwa 4cm hat, wobei diese Länge und dieser Durchmesser des Stabs oder der Faser aber nur beispielhaft angegeben sind und nicht als Beschränkung angesehen werden dürfen.
• Der Mantel 38 ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, optisch durchlässig und besteht aus einem Material, das verhältnismäßig unlöslich und chemisch widerstandsfähig hinsichtlich der zu untersuchenden Flüssigkeit ist. In typischer Weise ist der Mantel 38 einfach eine Glas- oder Plastikröhre, die einen Innendurchmesser hat, der größer als der maximale Außendurchmesser der Faser 36 ist, und die vorzugsweise derart bemessen ist, daß ein gewähltes Volumen begrenzt wird, das mindestens eine Aktivschicht 41 auf der Faser 36 umgibt. Alternativ kann der Mantel 38 eine metallische, hypodermatische Nadel oder eine andere Kanüle sein. Der Zwischenraum 39 zwischen der Schichtoberfläche der Faser 36 und der Innenwand des Mantels 38 hat vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, kapillare Abmessungen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der operative Teil der Fläche der Faser 36 durch die Abmessungen einer aktivierten Region definiert, in der die Untersuchungen durchgeführt werden. Um die Fläche des operativen Teils der Faser 36 zu aktivieren, wird die Faser in typischer Weise mit der Schicht 41 versehen, wie es im einzelnen im US-Patent 4447546 beschrieben worden ist.
• Bei der Vorrichtung 32 ist das Ende 43 der Faser 36 mit der Innenfläche einer zentrischen Ausnehmung 42 in einem Ende 44 einer Materialmasse, die als Stöpsel oder Leitkopf 46 gezeigt ist, verbunden, wobei Faser und Leitkopf vorzugsweise einstückig ausgebildet sind. Die Ausnehmung 42 soll eine leichte Befestigung des einen Endes der Mantels 38 in der die Faser 36 umgebenden Ausnehmung erlauben. Der Leitkopf 46 ist ebenfalls aus einem transparenten Material hergestellt, dessen Brechungszahl an die der Faser 36 angepaßt ist.
• Die durch das Ende 43 dargestellte Verbindung der Faser 36 mit dem Leitkopf 46 weist keine optische Unstetigkeit auf. Aus diesem Grund kann die Faser 36 und der Leitkopf 46 durch geeignete Bearbeitung eines einzelnen Glas- oder Plastikblocks oder praktischer nach einem Form- oder Gießverfahren oder dadurch hergestellt werden, daß ein Ende einer optischen Faser in eine Ausnehmung in einem geeignet geformten Leitkopf gesteckt wird und dann die beiden Teile durch Zonenschmelzen miteinander verbunden werden. Alternativ können die Faser 36, der Mantel 38 und der Leitkopf 46 einstückig ausgebildet werden, wie durch Formpressen oder ähnliche Verfahren. Der Leitkopf 46 hat die Form eines länglichen Körpers, der vorzugsweise zur Faser 36 axial ausgerichtet ist. In typischer Weise ist der radiale Querschnitt des Leitkopfs 46 rund und mit einem im wesentlichen konstanten Radius versehen, und der Leitkopf 46 kann verschiedene Querschnittskonfigurationen, wie eine Rechteck-, Dreieck-, Stern- und Ovalform oder ähnliche Form, aufweisen und kann sich konisch verjüngen oder kann andere, nichtkonstante, radiale Abmessungen haben.
• Die Ausnehmung 42 hat in typischer Weise einen runden Querschnitt, der derart bemessen ist, daß ein Ende des röhrenförmigen Mantels 38 zuverlässig abgedichtet in der Ausnehmung 42 in räumlich konzentrischer Beziehung zur Faser 36 sitzt, entweder reibschlüssig, durch Adhäsion, durch Einschmelzen oder durch andere Abdichtverfahren. Eine Leitung 48 ist zwischen der Fläche des Endes 44 des Leitkopfs 46 außerhalb der Peripherie des Mantels 38 und dem Inneren des Mantels in unmittelbarer Nähe der Verbindung der Faser 36 mit dem Leitkopf 46 angeordnet.
• Das entgegengesetzte Ende 50 des Leitkopfs 46 hat eine Fläche 52, die im folgenden als Nahfläche bezeichnet wird und die in typischer Weise eben ist, rechtwinklig zur Längsachse der Faser 36 steht und vorzugsweise feinpoliert ist, um jede Fehlstelle oder Flächendefekte auf ein Kleinstmaß herabzusetzen, die die einfallende und ausgesandte Strahlung streuen könnten. Alternativ kann die Nahfläche 52 durch andere gewünschte, optische Formen gebildet werden, um beispielsweise als optische Vergrößerungs- oder Optimierungsfläche zu arbeiten. Beispielsweise würde es mit Polystyrol (mit einer typischen Brechungszahl von etwa 1,6) als Material für den Leitkopf und die Faser zur Untersuchung einer Probe mit einer Brechungszahl von typischerweise etwa 1,34 schwierig sein, ein übliches Objektivlinsensystem zu verwenden, um das Licht auf die Grenzfläche mit einem geeigneten Winkel zu fokussieren, damit eine sehr hohe numerische Apertur erreicht wird. Daher würde es sehr vorteilhaft sein, wenn die Nahfläche 52 als Linsenfläche ausgebildet wird, deren optische Achse kolinear zur Längsachse der Faser 36 verläuft, wobei die Linsenfläche Teil eines Verbundlinsensystems ist, das einen typischerweise kollimierten Lichtstrahl auf den richtigen Konvergenzwinkel bringt.
• Die Faser ist für die Ausbreitung der optischen Anregungsstrahlung mit vielfacher totaler Innenreflexion über ihre Länge vorgesehen, wobei die Anregungsstrahlung in die Nahfläche 52 mit einem konischen Einfallsraumwinkel (β) einfällt, der im wesentlichen symmetrisch zur Faserlängsachse liegt und dessen Definition für den mit faseroptischen Systemen vertrauten Fachmann allgemein bekannt ist. Für eine Anregungsstrahlung, die sich in einer optischen Faser mit der Brechungszahl n&sub0; ausbreitet und bei der die Faser von einem Material mit der Brechungszahl n&sub1; umgeben ist, ist der maximale Einfallswinkel der Eingangsstrahlung in die Faser wie folgt definiert:
• (1) NA = n&sub2;sinβ = (n&sub0;²-n&sub1;²)1/2,
• wobei n&sub2; die Brechungszahl desjenigen Mediums ist, durch das die am Eingangsende der Faser einfallende Anregungsstrahlung sich anfangs ausbreitet, und wobei NA die numerische Apertur der Faser ist. Der maximale Einfallswinkel B ist dann:
• (2) B = sin&supmin;¹NA
• und B = β, wenn n&sub2; = 1 ist (beispielsweise gilt n&sub2; für trockene Luft). Die numerische Apertur der Faser ist daher höher, wenn das Faserkernmaterial eine hohe Brechungszahl und das die Faser umgebende Medium eine sehr kleine Brechungszahl aufweist, d.h., wenn n&sub0;»n&sub1; ist.
• Der Leitkopf 46 ist daher sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung derart bemessen, daß der maximale Einfallsraumwinkel der in das Ende 43 der Faser 36 einfallenden Anregungsstrahlung völlig innerhalb des Mediums des Leitkopfs 46 liegt, und dieser Leitkopf hat deshalb einen minimalen Querschnitt, der wesentlich größer (typischerweise um eine oder mehrere Größenordnungen) als der maximale Querschnitt der Faser 36 ist. Die äußersten Strahlen des als maximaler Einfallsraumwinkel definierten Konus werden, wie allgemein bekannt ist, durch die Brechungszahlen der Probe (n&sub1;), der Faser (n&sub0;) und des Leitkopfs bestimmt.
• Die Faser 36 und der Leitkopf 46 bilden so vorzugsweise eine einheitliche oder einstückige Form der Vorrichtung 32 und können aus einem Material bestehen, das aus sehr vielen, im wesentlichen homogenen, für die Anregungsstrahlung optisch durchlässigen Materialien auswählbar ist, beispielsweise glasförmige Materialien wie Quarz, kristalline Materialien wie Quarz, Saphir und ähnliche, synthetische Polymere wie Polyolefine, Polypropylene und ähnliche, und das vorzugsweise verhältnismäßig steif ist. Wo die Faser 36 bei Flüssigkeitsuntersuchungen verwendet werden soll, wie es im folgenden beschrieben wird, muß die Brechungszahl n&sub0; des Materials der Faser 36 größer als die Brechungszahl n&sub1; der zu untersuchenden Flüssigkeit sein. Die Brechungszahl n&sub1; ist typischerweise etwa 1,3 für eine wässrige Lösung. Für die Zwecke einer Immuntestvorrichtung soll die Faser 36 typischerweise eine zwischen 3 bis 5cm liegende Länge haben, wobei eine Länge von etwa 4cm bevorzugt wird. Die Faser 36 hat generell einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 1,5mm, wobei ein Durchmesser von 1mm bevorzugt wird. Diese Angaben über Länge und Durchmesser sind aber nur als Beispiele gedacht und dürfen nicht als Begrenzung aufgefaßt werden.
• Bei einer bevorzugten Ausführung, bei der die Fluoreszenz, die an der Oberfläche der Faser durch die von der Nahfläche 52 die Faser herunterlaufende Anregungsstrahlung induziert wird, ebenfalls an der Nahfläche 52 gesammelt oder beobachtet wird, soll vermieden werden, daß Streustrahlung vom Fernende 54 der Faser 36 zur Nahfläche 52 zurückläuft. Daher kann das Fernende 54 so ausgebildet sein, daß der Lichteinfall nach Innen abgelenkt wird, aber vorzugsweise ist dieses Fernende mit einem Material beschichtet, das die Brechungszahl der Faser derart anpaßt, daß Reflexionen an der Faserabsorbiergrenzfläche vermieden werden. Das Absorbiermaterial ist hinsichtlich der Anregungsstrahlung sowohl nichtfluoreszierend als auch absorbierend. Die Verwendung einer Absorbierschicht auf dem Fernende 54 soll auch verhindern, daß Fluoreszenz vom Fernende 54 eintritt, wenn dieses Fernende in einer Probenlösung eingetaucht ist. Typischerweise dient ein mit Ruß vermischtes Epoxidharz solchen Zwecken.
• Gemäß der Erfindung ist die Schicht 41 auf der Faser 36 aus einem Material gebildet, das aus einer Anzahl von aktivierenden Reagenzien (beispielsweise ein Anteil oder eine Komponente eines Antikörper-Antigen-Komplexes, der ein Fluoreszenzidentifizierungsmittel aufweist) ausgewählt ist; diese Schicht ist im wesentlichen denselben Verfahren unterworfen, wie sie im US-Patent 4447546 beschrieben sind. Der Leitkopf 46 mit der Faser 36 und der am Leitkop integriert befestigten Mantelröhre 38, wobei diese Elemente die Vorrichtung 32 bilden, wird in eine Öffnung 58 im Rahmen 30 gesteckt, bis die Nahfläche 52 den Sitz 60 erreicht, der im Rahmen 30 am Innenende der Öffnung 58 gebildet ist. Um den Leitkopf 46 im Sitz abnehmbar zu machen, können längs den Wänden der Öffnung 58 Einspannmittel wie Blattfedern oder ähnliche Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen sein, aber ein Reibsitz ermöglicht einen festen Sitz und die Auswechselbarkeit ohne zusätzliche Kosten oder Komplikation. Der Zwischenraum 39 zwischen dem Mantel 38 und der Faser 36 ist wie bei einer hypodermischen Spritze oder anderen geeigneten Vorrichtung bis zum unbefestigten Ende 62 des Mantels 38 mit einer Flüssigkeitsprobe des zu untersuchenden Materials angefüllt. Alternativ kann der Zwischenraum für den Fall, daß der Mantel 38 kapillare Abmessungen hat, leicht dadurch gefüllt werden, daß das Ende 62 einfach in die Flüssigkeitsprobe getaucht wird, so daß der Zwischenraum 39 durch die Kapillarwirkung gefüllt werden kann. Die Probe wird im Zwischenraum 39 durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit gehalten, wobei eine Meniskuslinse auftritt, die am Ende 62 des Mantels 38 durch die Kapillarwirkung des Zwischenraums 39 gebildet wird. Das Füllen wird mit Hilfe der Leitung 48 vorgenommen, die der Luft das Austreten aus dem Zwischenraum beim Füllen des Zwischenraums ermöglicht. Die Probe verweilt im Zwischenraum 39 so lange wie gewünscht, damit das zu untersuchende Material in der Flüssigkeitsprobe sich über die Schicht 41 ausbreiten und mit dieser Schicht reagieren kann, um so den Identifizierungskomplex zu bilden. Eine Pumpe (generell mit 64 bezeichnet) kann an dem einen oder anderen Ende des Zwischenraums 39 angeschlossen sein, um entweder das Füllen oder das Entleeren des Zwischenraums zu beschleunigen oder um ein Strömungssystem zu schaffen, das an der Verbindungsstelle der Kapillarröhre mit dem Leitkopf zuverlässig abgedichtet ist, sogar gegen den von der Pumpe 64 erzeugten Druck.
• Die Lichtquelle 22 wird dann eingeschaltet, um den Lichtstrahl 34 zu erzeugen, der durch den Spiegel 26 so reflektiert wird, daß er in einem Winkel, der gleich dem maximalen Einfallswinkel oder kleiner ist, auf die Nahfläche 52 fällt.
• Die Linse 28 wird so gewählt und so axial zum Sitz 60 angeordnet, daß die radial äußersten Strahlen des reflektierten Lichtstrahls alle das Medium des Leitkopfs 46 durchlaufen und in die Faser 36 genau radial nach innen am Ende 43 an der Verbindunsstelle des Leitkopfs mit der Faser laufen. Durch diese Auswahl und Anordnung der Linse 28 wird die Größe des Anregungsbereichs auf der Nahfläche 52 und damit auf der Verbindunsstelle der Faser 36 mit dem Leitkopf 46 genau gesteuert. Obwohl der Sitz 60 die Peripherie der Öffnung 58 notwendigerweise physikalisch begrenzt, bildet er keinen Schatten oder unterbricht er oder stört er in anderer Weise das in die Nahfläche 52 eintretende und aus dieser Fläche austretente Licht nicht, weil diese Nahfläche vorzugsweise viel größer im Querschnitt als der größte Lichtfleck auf der Nahfläche 52 ist, der zur Erreichung des maximalen Einfallswinkels erforderlich ist.
• Wenn der Lichtstrahl 34 von der Nahfläche 52 aus sich längs der Faser 36 ausbreitet, kann er Fluoreszenz in der Schicht 41 durch eine den Durchlauf des Strahls längs der Faser begleitende, abklingende Welle anregen oder induzieren. Ein Teil der an der Schicht 41 im Identifizierungskomplex induzierten Fluöreszenz tunnelt dann vom angeregten Material in die Faser zurück, wird durch totale Innenreflexion zurückgeschickt und läuft dabei von der Nahfläche 52 über die Linse 28 und den Spiegel 26 und wird auf den Detektor 24 fokussiert, wobei er das Vorhandensein eines Identifizierungskomplexes auf der Schicht 41 anzeigt. Nachdem die Untersuchung abgeschlossen ist, kann die Anordnung aus Faser und Leitkopf leicht aus ihrem Sitz in der Öffnung 58 entfernt und, falls erwünscht, weggeworfen werden. Die Vorrichtung kann dann ein neues, auswechselbares Exemplar der Vorrichtung 32 für eine neue Untersuchung aufnehmen.
• Es muß beachtet werden, daß die Flächen der Faser 36 außer der Nahfläche 52 nicht für die Lichtübertragung oder für die Innenreflexion benutzt werden und daher ohne weiteres zum Halten, Ausrichten oder zur andersartigen Positionierung der Vorrichtung 32 in der Öffnung 58 ohne Störung der Lichtleiteigenschaften der Untersuchungsvorrichtung 32 benutzt werden können. Da die Flächen nicht optisch verwendet werden, brauchen sie nicht poliert zu werden und können mit Formgraten, Gießmarken, Metallpassungen und ähnlichem versehen sein, ohne daß die Übertragungseigenschaften der Vorrichtung verschlechtert werden. Infolge der verhältnismäßig großen Abmessungen des Leitkopfes 46 (im Vergleich mit dem Faserdurchmesser) kann die Vorrichtung 32 größeren Kräften widerstehen als die Faser allein und leicht und/oder maschinell gehandhabt werden, wiederum ohne die Übertragungseigenschaften der Vorrichtung zu beeinflussen.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine faseroptische Untersuchungsvorrichtung mit einer so großen numerischen Apertur, wie erreichbar ist, die den durch die Brechungszahl der Probe und die Brechungszahl der Faser gekennzeichneten Zwangsbedingungen unterworfen ist, weil es keine Verminderung der numerischen Apertur gibt, die auf ein Kontakt-, Zwischen-, Befestigungs- oder Außenbekleidungsmaterial am Fasernahende oder zwischen dem Fasernahende und dem Faserteil zurückzuführen ist, in dem die Fluoreszenz angeregt wird. Da zudem die einheitliche Anordnung der Faser 36 und des Leitkopfs 46 durch die Untersuchungsvorrichtung 20 festgehalten wird, gibt es im wesentlichen keinen Durchgangsverlust, der andrerseits aufgrund der Faserbewegung auftreten könnte. Da mit einer ziemlich festen Glasfaser oder einem Glasstab begonnen werden kann und nicht eine feine Faser, wie sie im US-Patent 4447546 offenbart ist, verwendet werden muß, ist man in der Verwendung nicht auf den Glastyp, beispielsweise auf in der Nachrichtentechnik verwendete Glassorten, beschränkt, und deshalb kann man, wie zuvor erwähnt, Glassorten mit sehr hoher Brechungszahl, Kristalle, Polymere und ähnliches verwenden, die weiter die maximale numerische Apertur vergrößern, die an dem in Kontakt mit der Probe kommenden Faserteil erreicht werden kann.
• Die ganze Fläche des Leitkopfs 46 (außer der Nahfläche 52) und die Außenfläche des Mantels 38 und das Ende 62 können mit einer lichtundurchlässigen Schicht versehen werden, die entweder als getrenntes Element oder als Auflaufschicht ausgebildet sein kann. Diese Schicht hält Streu- oder Umgebungslicht vom Probenbereich fern, wodurch ermöglicht wird, daß die Öffnung 58 in einem ungeschützten Bereich außerhalb der Untersuchungsvorrichtung geladen werden kann und daher zugänglicher für zahlreiche Auswechslungen und Füllvorgänge ist. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung der den Leitkopf 46 aufweisenden Vorrichtung 30 besteht in der Verminderung der Bulkfluoreszenz, die vorwiegend durch Streuung im Faserteil zwischen der Fasereingangsfläche und demjenigen Bereich verursacht wird, in dem die Faserfläche mit der Probenflüssigkeit in Kontakt kommt. Wenn der Leitkopf 46 als Medium verwendet wird, über das die Anregungsstrahlung in die Faser eingeleitet wird, wird der Streubereich der Faser im wesentlichen vermieden, wobei die Bulkfluoreszenz vermindert wird.

Claims (19)

1. Vorrichtung (20) zur Untersuchung einer Flüssigkeitsprobe mit Anregungsstrahlung einer Strahlungsquelle (22), wobei die Strahlung Fluoreszenz in einem Fluoreszenzmaterial anregen kann und die Vorrichtung eine total innenreflektierende, längliche Faser (36) aufweist, in deren eines Ende die Strahlung eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Leitkopf (46) aufweist, der mit dem einen Ende der Faser fest verbunden ist, wodurch ein verlängertes, sowohl die Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenz übertragendes Substrat (46, 36) gebildet ist, daß die Faser (36) und der Leitkopf (46) derart angepaßte Brechungszahlen haben, daß die Grenzfläche zwischen der Faser (36) und dem Leitkopf (46) infolge der Fortpflanzung der Strahlung durch das Substrat keine optische Unstetigkeit aufweist, und daß der Leitkopf so bemessen ist, daß der maximale, räumliche Öffnungswinkel für die Anregungsstrahlung ins Ende ganz im Übertragungsmedium des Leitkopfs (46) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Faseraußenfläche mit Fluoreszenzmaterial beschichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluoreszenzmaterial mindestens einen Anteil einer Antikörper-Antigen-Komplexverbindung aufweist, die einen Zusatz umfaßt, der für die Fluoreszenz sorgt, wenn der Zusatz durch eine von der Anregungsquelle erzeugte, abklingende Welle angeregt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler, länglicher Mantel (38) die Faser (36) mit Abstand umhüllt, so daß ein Zwischenraum (39) zwischen der Faser (36) und dem Mantel (38) gebildet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (36) zentrisch im Mantel angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (39) zwischen dem Mantel (38) und der Faser (36) kapillare Abmessungen aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des länglichen Mantels (38) auf den Leitkopf stößt und mit diesem in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Faser (36) und dem Leitkopf (46) im wesentlichen dicht verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (48) vom Außenraum der Vorrichtung zum Zwischenraum (39) zwischen dem Mantel und der Faser (36) in der Nähe des Leitkopfs (46) verläuft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (64) mit dem Zwischenraum (39) derart verbunden ist, daß ein flüssigkeitsdichtes System zum Durchschicken der Probe durch den Zwischenraum geschaffen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (26) dem anderen Faserende zugeordnet sind, die die Ausbreitung der Anregung und der Fluoreszenzstrahlung sowie des Streulichts sperren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmittel (26) einen Strahlungsabsorber aufweisen, der eine Brechungszahl aufweist, die im wesentlichen an die der Faser angepaßt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Querschnittsfläche des Leitkopfs quer zur Längsachse der Faser wesentlich größer als die Querschnittsfläche der Faser ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Haltemittel, die den Leitkopf in einer festen Lage halten, eine die Anregungsstrahlung abgebende Quelle (60), optische Mittel (64) zur Fokussierung der Strahlung auf die Haltemittel (65), Detektionsmittel (66) zur Feststellung der von einem Ende der Faser (36) ausgesandten und durch die Anregungsstrahlung angeregten Fluoreszenzstrahlung und Mittel zur Befestigung der Quelle, optischen Mittel und Detektionsmittel in fester Beziehung zu den Haltemitteln, so daß die Anregungsstrahlung in das Faserende durch den Leitkopf innerhalb des Öffnungswinkels eingeleitet wird, wenn der Leitkopf in den Haltemitteln gehalten wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsaufteilmittel mit den Befestigungsmitteln derart verbunden sind, daß die Anregungsstrahlung auf die optischen Mittel (64) und die Fluoreszenz auf die Detektionsmittel (66) gelenkt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die der Grenzfläche zwischen dem Leitkopf und der Faser abgewandte Fläche des Leitkopfs (46) im wesentlichen eben ist und im wesentlichen senkrecht zur Faserlängsachse liegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die der Grenzfläche zwischen dem Leitkopf und der Faser abgewandte Fläche des Leitkopfs (46) als Linsenfläche ausgebildet ist, deren optische Achse im wesentlichen in einer Linie mit der Faserlängsachse liegt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkopf eine Querschnittsform aufweist, die im wesentlichen an die Form der Haltemittel angepaßt ist, so daß der Leitkopf (46) fest und abnehmbar im Haltemittel gehalten werden kann.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkopf (46) einen kreisförmigen Querschnitt und einen im wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe derart mit dem Zwischenraum verbunden ist, daß ein flüssigkeitsdichtes System zum Durchschicken der Probe durch den Zwischenraum gebildet wird.