DE69014999T2

DE69014999T2 - Einrichtung zum Detektieren der Fluoreszenz eines lumineszierenden Materials.

Info

Publication number: DE69014999T2
Application number: DE69014999T
Authority: DE
Inventors: Mark L Daniel; Richard E Williams
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1989-06-08
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: EP0402030A3; US5030832A; EP0402030A2; DE69014999D1; EP0402030B1; JPH0324443A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Erfassung der Fluoreszenz eines lumineszierenden Materials und insbesondere eine solche Vorrichtung, die mit einer Wechselspannungsquelle arbeitet.

Hintergrund

Es gibt viele Umgebungen, wo die Sterilisation von Gegenständen von entscheidender Bedeutung ist. Krankenhäuser und Arztpraxen müssen bestimmte Geräte sterilisieren, bevor diese Geräte bei chirurgischen Eingriffen oder in einer sterilen Umgebung verwendet werden können. Auch in der Gastronomie ist darauf zu achten, daß Utensilien und Geräte sterilisiert werden, um eine mögliche spätere Infektion der Benutzer zu vermeiden.
Normalerweise können die Geräte, Instrumente oder Materialien, die sterilisiert werden müssen, den notwendigen Parametern ausgesetzt werden, um eine Sterilisation zu erreichen, so zum Beispiel den mit einander in Zusammenhang stehenden Parametern Zeit, Temperatur, Dampf, Heißluft, Chemikalien wie Ethylenoxidgas oder Strahlungsdosis. Mit dem Sterilisationsvorgang sollen lebende Keime abgetötet werden, die andernfalls die der Sterilisation unterzogenen Gegenstände kontaminieren könnten. Die Dampfsterilisation erfolgt bei Temperaturen im Bereich von 121-132ºC bei Behandlungszeiten von drei Minuten bei 132ºC bis 30 Minuten bei 121ºC. Die Sterilisation mit Ethylenoxid erfolgt bei 30- 56ºC bei Behandlungszeiten von 1 Stunden bei 65ºC bis 4 Stunden bei 30ºC. Die Heißluftsterilisation dauert normalerweise 2 Stunden bei 180ºC.
Da es in vielen Fällen wichtig ist, daß die Sterilisation vollständig durchgeführt wird, werden häufig Sterilisationsüberwachungsvorrichtungen verwendet. Normalerweise wird ein kleines Röhrchen oder sonstiges Gefäß in die Sterilisationseinheit eingesetzt, um die vollständige Durchführung des Sterilisationsvorganges überprüfen zu können. Das Röhrchen enthält normalerweise lebende Keime, die mit einem Nährboden versorgt werden und eine solche Umgebung vorfinden, daß sie nach dem Sterilisationsvorgang rasch wachsen können.
Das Röhrchen kann dann nach einer Inkubationszeit auf das Wachstum von Keimen untersucht werden. Aufgrund der Inkubation kann jeder den Sterilisationsvorgang überlebende Keim auf ein meßbares Maß wachsen. Wenn der Keim überlebt, deutet dies auf einen unzureichenden Sterilisationsvorgang hin.
Um lebende Keime richtig erfassen zu können, wird normalerweise ein Substratmaterial in das Röhrchen gegeben, damit die lebenden Keime reagieren können, indem sie die Farbe des Substrates verändern.
Normalerweise erfolgte das Ablesen bzw. die Analyse der Farbänderung manuell und durch Beobachten mit dem menschlichen Auge. Bei einem Verfahren der Überwachung der Sterilisation wird ein potentiell lumineszierendes Substratmaterial in das Röhrchen gegeben, damit die lebenden Keime damit reagieren können. Nach einer geeigneten Reaktionszeit wird das Röhrchen einem fluoreszierenden Licht ausgesetzt, normalerweise einem UV-Licht, das bewirkt, daß die für das bloße Auge unsichtbare Fluoreszenz als sichtbares Licht in dem Röhrchen erscheint. Wenn bei Bestrahlung des Röhrchens mit fluoreszierendem Anregungslicht sichtbares Licht erscheint, würde dies auf eine unzureichende Sterilisation hindeuten, was zumindest teilweise auf die kürzere Zeitdauer zurückzuführen ist, die für das Wachstum der lebenden Keime erforderlich ist, und es sind stärker automatisierte Fluoreszenzdetektoren zu verwenden.
Um des weiteren die Vollständigkeit des Sterilisationsvorganges schneller feststellen zu können, ist es wünschenswert, die Fluoreszenz des lumineszierenden Substrates in dem Röhrchen bei einem sehr niedrigen Schwellwert von ungefähr 0,1 Picowatt zu messen.
Leider ist die normalerweise verwendet UV-Lichtquelle oft sehr instabil, was zum Teil auf Schwankungen in der Gasionisierung an einer oder mehreren der Kathoden an jedem Ende der UV-Lichtquelle zurückzuführen ist. Des weiteren bewirken örtliche Wärmeunterschiede und Schwankungen in der Emission, daß der Ausgang der UV-Lichtquelle (Lampe) viele unabhängig voneinander variierende Oberschwingungen der Netzfrequenz enthält. Das Gesamtverhältnis von Maximum zu Minimum schwankt in ähnlicher Weise. Die Verwendung von gleichstromgekoppelten Verstärkern mit Tiefpaßfiltern zur Beseitigung dieser Schwankungen ist inakzeptabel, weil die Gleichstromdrift weit über dem gemessenen Signalpegel liegen würde.
Einige Detektoren versuchen dieses Problem dadurch zu lösen, daß die UV-Lichtquelle optisch oder elektrisch unterbrochen wird, um einen Wechselstromträger für das Signal zu erhalten. Der Wechselstromträger wird dann manchmal in einer Zweikanalvorrichtung verwendet, die einen Amplitudenvergleichskanal besitzt, der eine geeichte Referenz darstellt.
Alternativ basieren einige Detektoren auf der kurzfristigen Stabilität der Gleichstromdrift und kompensieren die Drift durch Ablesen eines Referenzwertes und gleich darauf Vergleichen des Referenzwertes mit dem Signal.
Ein weiteres Problem besteht jedoch bei Verwendung von zwei Kanälen, oder wenn die Messung des Zielmaterials zu einem anderen Zeitpunkt vorgenommen wird als die Messung des Referenzmaterials. Da das gemessene Signal so schwach ist, können bei den Bauteilen geringe Abweichungen zwischen den zwei Kanälen, selbst bei teuren, aufeinander abgestimmten Bauteilen, und zwischen verschiedenen Meßzeiten zu einem völligen "Verschleiern" des zu messenden Signals führen. Dies kann leicht auch zu einer ungenauen Messung führen. Um die inhärenten Ungenauigkeiten bei der Messung zu kompensieren, muß die "Wachstumszeit" ausgedehnt (bzw. nicht verkürzt) werden, um sicherzustellen, daß ggf. vorhandene lebende Keime auch erfaßt werden.
In mehreren vorveröffentlichten US-Patenten werden Systeme offenbart, die alle eines oder mehrere der obengenannten Probleme aufweisen.
Das US-Patent Nr. 4,006,360 (Mueller) offenbart ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der bei entsprechender Anregung stattfindenden Fluoreszenzemission von Farbstoffmolekülen, die an biologische Partikel gebunden sind. Das System und das Verfahren beruhen auf der unterschiedlichen Lebensdauer des angeregten Zustandes der Farbstoffmoleküle. Die Anregungsstrahlung wird rasch "ein-" und dann aus" geschaltet, und anschließend wird die Fluoreszenzemission überwacht. Licht aus der bestrahlten Probe wird dann durch ein optisches Selektionsfilter geleitet und anschließend durch herkömmliche photoelektrische Systeme wie zum Beispiel einen Fotovervielfacher überwacht.
Das US-Patent Nr. 4,626,684 (Landa) offenbart eine Vorrichtung zur raschen Durchführung von Fluoreszenzmessungen. Die Elektronik der Vorrichtung arbeitet mit zwei Kanälen. Ein Kanal erfaßt die Fluoreszenz der Probe. Der andere Kanal erfaßt die Fluoreszenz einer Referenzprobe. Die Referenzfluoreszenz des "Hintergrunds" wird von der Signalprobe abgezogen, um den Hintergrund zu erhalten. Um jedoch die Referenz wirksam löschen zu können, müssen die zwei Kanäle genau aufeinander abgestimmt sein.
Das US-Patent Nr. 4,668,868 (Noller) offenbart einen Fluoreszenzdetektor zur Durchführung von Fluoroimmunoassays biologischer Proben. Die von der Probe ausgehende Lichtenergie wird zur Anregung eines Fotoelementes verwendet. Der Temperaturausgleich erfolgt durch ein zweites Fotoelement, bei dem keine Anregung mittels Licht möglich ist. Ein Druckknopfeichgerät wird außerdem verwendet, um von dem Fotoelement eine Vorspannung mit Nulleingangssignal zu liefern, das gespeichert wird. Ein wesentlicher Nachteil des Systems von Noller ist das Fehlen eines Referenzwertes. Da Schwankungen in der Stärke der Anregungsstrahlung die Menge des erzeugten sichtbaren Lichtes stark beeinflussen können, kann das tatsächlich wahrgenommene sichtbare Licht stark schwanken.
Das US-Patent Nr. 4,750,837 (Gifford et al) offenbart ein Fluorometer mit einer Referenzlichtquelle. Das System arbeitet mit einem Paar Referenzlichtimpulsen, die im Abstand zwischen einem Paar Anregungslichtimpulsen angeordnet sind. Ein Mikroprozessor liest dann diese vier elektrischen Impulse und errechnet die resultierende Konzentration. Dieses System ist sehr kompliziert, da es nicht nur eine Vielzahl von Anregungsimpulsen und ein Paar Referenzimpulse verwendet, sondern auch einen Mikroprozessor zur Berechnung des Ergebnisses.
Eine weitere Vorveröffentlichung, die GB-A-822,848, betrifft ein Fluorometer zur Untersuchung einer Probe, umfassend ein lumineszierendes Referenzmaterial, eine Lichtquelle zur Anregung der Probe und des lumineszierenden Referenzmaterials, und zwei Ansprecheinrichtungen, die jeweils auf die Fluoreszenz der Probe und des lumineszierenden Referenzmaterials ansprechen, wobei die Ausgangssignale der beiden Ansprecheinrichtungen einander entgegengesetzt sind. Wie offenbart, handelt es sich bei den beiden Ansprecheinrichtungen um Fotovervielfacher. Eine Anzeigevorrichtung ist vorgesehen, um den Fluoreszenzzustand der Probe anzuzeigen. Dieses Dokument dient zur Formulierung des Oberbegriffs der beigefügten Ansprüche 1 und 4.
Die EP-A-0,212,455 betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Fluoreszenz einer Probe, umfassend eine Entladungslampe, die mit einer mit einer Quellenfrequenz arbeitenden Wechselspannungsquelle gekoppelt ist, um das Material der Probe anzuregen, eine Photodiode, die in Abhängigkeit von der Fluoreszenz der Probe ein Photodiodenausgangssignal erzeugt, und eine Anzeigevorrichtung. Dieses Dokument dient zur Formulierung des Oberbegriffs von Anspruch 5.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt einen verbesserten Fluoreszenzdetektor bereit. Durch eine genaue Analyse das sichtbaren Lichts, das durch das lumineszierende Material in Abhängigkeit von der fluoreszierenden Anregungsstrahlung erzeugt wurde, ist eine rasche und genaue Feststellung der Vollständigkeit der Sterilisation möglich. Der Detektor der vorliegenden Erfindung kann die bis zum Stadium des "Wachstums" erforderliche Wartezeit von einem Tag oder mehr auf ungefähr fünfzehn (15) Minuten verkürzen. Möglicherweise könnten mit dem Detektor der vorliegenden Erfindung sogar noch kürzere Wartezeiten erreicht werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Problem der nicht aufeinander abgestimmten Bauteile in den zwei Kanälen dadurch gelöst, daß es nur einen Kanal gibt. Die Referenzbestimmung erfolgt durch eine Photodiode, die Rücken an Rücken, oder auf andere Weise dagegen abgesetzt, mit der Zielbestimmung gekoppelt ist, normalerweise einer auf das fluoreszierende Material ansprechenden Photodiode. Bei der Anordnung Rücken an Rücken sind keine zwei Kanäle mehr erforderlich, da sämtliche Ermittlungen in einem einzigen Kanal durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Problem der Schwankungen in der Stärke der Lichtquelle durch eine Wechselstromkopplung gelöst, um die Gleichstromdrift auszuschalten, und durch Verwendung der zweiten Oberschwingung der Netzfrequenz, nämlich 120 Hz anstelle der herkömmlicherweise bevorzugten 60 Hz der Netzleitung. Man hat festgestellt, daß die zweite Oberschwingung gegenüber Schwankungen in der Grundfrequenz der Netzleitung oder in den Oberschwingungen höherer Ordnung relativ stabil ist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Problem der Schwankungen in der Amplitude der Netzspannungsquelle gelöst durch Vergleichen des entstehenden gemessenen Ausgangssignals und durch Vergleichen desselben mit einem direkt von der Netzleitung bezogenen Signal.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials bereitgestellt, das bei einer Erregungswellenlänge erregbar ist und bei einer Fluoreszenzwelloenlänge fluoresziert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein lumineszierendes Referenzmaterial, eine Lichtquelle, die so angeordnet ist, daß sie das lumineszierende Zielmaterial und das lumineszierende Referenzmaterial bei ungefähr der Erregungswellenlänge erregt, eine erste Ansprecheinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Zielmaterial bei ungefähr der Fluoreszenzwellenlänge anspricht, um eine erste elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Zielmaterial bei der Fluoreszenzwellenlänge empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen, und eine zweite Ansprecheinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Referenzmaterial anspricht, um eine zweite elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumines zierenden Referenzmaterial empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen, und eine Anzeigevorrichtung, die den Zustand der Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials in Abhängigkeit von mindestens einer von der ersten Antwort und der zweiten Antwort anzeigt, wobei die erste Ansprecheinrichtung und die zweite Ansprecheinrichtung so angeordnet sind, daß die erste elektrische Antwort der zweiten elektrischen Antwort gegenübersteht, so daß ein kombiniertes Ausgangssignal entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle eine Entladungslampe ist, die mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, die mit einer Quellenfrequenz arbeitet;
ein mit dem kombinierten Ausgangssignal gekoppeltes Bandpaßfilter so gewählt ist, daß es vorwiegend Signale mit ungefähr der doppelten Frequenz wie die Quellenfrequenz hindurchläßt, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen; und daß
ein Phasendetektor mit dem Bandpaßfilter gekoppelt ist, um die Phase des gefilterten Ausgangssignals festzustellen und eine erste Antwort zu erzeugen, wenn das gefilterte Ausgangssignal ein Signal einer ersten Phase ist, und eine zweite Antwort zu erzeugen, wenn das gefilterte Signal ein Signal einer zweiten Phase ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials bereitgestellt, das bei einer Erregungswellenlänge erregbar ist und bei einer Fluoreszenzwellenlänge fluoresziert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein lumineszierendes Referenzmaterial, eine Lichtquelle, die so angeordnet ist, daß sie das lumineszierende Zielmaterial und das lumineszierende Referenzmaterial bei ungefähr der Erregungswellenlänge erregt, eine erste Ansprecheinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Zielmaterial bei ungefähr der Fluoreszenzwellenlänge anspricht, um eine erste elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Zielmaterial bei der Fluoreszenwellenlänge empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen; eine zweite Ansprecheinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Referenzmaterial anspricht, um eine zweite elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Referenzmaterial empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen; und eine Anzeigevorrichtung, die den Zustand der Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials in Abhängigkeit von mindestens einer von der ersten Antwort und der zweiten Antwort anzeigt, wobei die erste Ansprecheinrichtung und die zweite Ansprecheinrichtung so angeordnet sind, daß die erste elektrische Antwort der zweiten elektrischen Antwort gegenübersteht, so daß ein kombiniertes Ausgangssignal entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Lichtquelle eine Entladungslampe ist, die mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, die mit einer Quellenfrequenz arbeitet;
ein Phasenumformer mit der ersten und der zweiten Photodiode gekoppelt ist, um Amplitudenänderungen des Photodiodenausgangssignals in Phasenänderungen umzuwandeln, wobei ein Phasenausgangssignal erzeugt wird; und daß
ein Phasendetektor mit dem Phasenausgangssignal gekoppelt ist, um die Phase des gefilterten Ausgangssignal zu erfassen und eine erste Antwort abzusetzen, wenn das gefilterte Ausgangssignal ein Signal einer ersten Phase ist, und eine zweite Antwort abzusetzen, wenn das gefilterte Signal ein Signal einer zweiten Phase ist, wobei der Phasendetektor einen Gleichrichter umfaßt, der mit der Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal zu erzeugen, und eine Summiereinrichtung, die mit dem Phasenumformer und dem Gleichrichter gekoppelt ist, um das gefilterte Ausgangssignal und das gleichgerichtete Ausgangssignal zu summieren und ein summiertes Signal zu erzeugen, wobei ein relativ hoher Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die erste Antwort hindeutet, und ein relativ niedriger Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die zweite Antwort hindeutet.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials bereitgestellt, das bei einer Erregungswellenlänge erregbar ist und bei einer Fluoreszenzwellenlänge fluoresziert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: eine Entladungslampe, die mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, die mit einer Quellenfrequenz arbeitet und so angeordnet ist, daß sie das lumineszierende Zielmaterial bei ungefähr der Erregungswellenlänge erregt, eine Photodiode, die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Zielmaterial anspricht und dabei ein Photodiodenausgangssignal erzeugt, und eine Anzeigevorrichtung, die die Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Photodiodenausgangssignal gekoppeltes Bandpaßfilter vorgesehen ist, das so gewählt ist, daß es vorwiegend Signale mit ungefähr der doppelten Frequenz wie die Quellenfrequenz hindurchläßt, um ein gefiltertes Ausgangssignal zur Verwendung durch die Anzeigevorrichtung zu erzeugen.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Ansprecheinrichtung und bei der zweiten Ansprecheinrichtung um eine erste und eine zweite Photodiode, die im Sperrschichtmodus arbeiten und Rücken an Rücken miteinander gekoppelt sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Phasendetektor um einen Gleichrichter, der mit der Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal zu erzeugen, und um eine Summiereinrichtung, die mit dem Bandpaßfilter und dem Gleichrichter gekoppelt ist, um das gefilterte Ausgangssignal und das gleichgerichtete Ausgangssignal zu summieren und ein summiertes Signal abzusetzen, wobei ein relativ hoher Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die erste Antwort hindeutet, und ein relativ niedriger Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die zweite Antwort hindeutet.
Der Phasendetektor kann eine an die Wechselspannungsquelle angeschlossene Vergleichseinrichtung aufweisen, die zwischen der Summiereinrichtung und der Anzeigevorrichtung angeschlossen ist und den Wert der Amplitude des summierten Signals mit dem Wert der Spannungsamplitude der Wechselspannungsquelle vergleicht und die erste Antwort in Abhängigkeit vom Wert der Amplitude der Netzspannung absetzt.
Die Vorrichtung kann die Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials über einem vorbestimmten Schwellwert erfassen und umfaßt außerdem einen Einstellmechanismus, der mit dem lumineszierenden Zielmaterial, dem lumineszierenden Referenzmaterial, der ersten oder der zweiten Photodiode oder der Entladungslampe gekoppelt ist, um den Ausgang der ersten und der zweiten Photodiode abzugleichen, wenn die Vorrichtung ein lumineszierendes Zielmaterial mißt, das bei dem vorbestimmten Schwellwert fluoresziert.
Die Vorrichtung kann eine zwischen dem Bandpaßverstärker und dem Phasendetektor angeschlossene Phasenverzögerung aufweisen, um die Phase des gefilterten Ausgangssignals so einzustellen, daß die 180º-Phasenverschiebung des Photodiodenausgangssignals und des gleichgerichteten Signals maximiert wird, wenn die Vorrichtung ein lumineszierendes Zielmaterial mißt, das bei dem vorbestimmten Schwellwert fluoresziert.
Die Vorrichtung kann die Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials über einem vorbestimmten Schwellwert erfassen und umfaßt außerdem einen Einstellmechanismus, der mit dem lumineszierenden Zielmaterial, der Photodiode oder der Entladungslampe gekoppelt ist, um den Ausgang der Photodiode einzustellen, wenn die Vorrichtung ein lumineszierendes Zielmaterial mißt, das bei dem vorbestimmten Schwellwert fluoresziert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die obengenannten Vorteile, die Bauweise und die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und der bei liegenden Zeichnung besser ersichtlich.
Die Figur zeigt ein Blockdiagramm der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Die Figur veranschaulicht die Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, die zur Erfassung der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials 12 dient. Mit dem lumineszierenden Zielmaterial 12 sind lebende Keime markiert, die normalerweise in einem kleinen Röhrchen enthalten sind, das in eine Sterilisationseinheit eingesetzt wurde. Das Röhrchen enthält einen Nährboden und eine Umgebung, die nach dem Sterilisationsvorgang ein rasches Wachstum ermöglichen.
Im Falle eines vollständig durchgeführten Sterilisationsvorganges hat die große Hitze der Sterilisationsumgebung die lebenden Keime abgetötet, die andernfalls die zu sterilisierenden Geräte kontaminieren könnten. Wenn die lebenden Keime jedoch durch den Sterilisationsvorgang nicht abgetötet wurden, dann bleiben einige der lebenden Keime zurück, und die Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung kann die Fluoreszenz des verbleibenden lumineszierenden Zielmaterials 12 erfassen, mit dem diese lebenden Keime markiert sind. Ein Fluoreszenzpegel über einem vorbestimmten Wert deutet auf einen mißlungenen Sterilisationsvorgang hin.
Ein Beispiel für die Art von lumineszierendem Zielmaterial 12, das sich verändern kann, um eine Fluoreszenz zu erzeugen, die durch lebende Keime oder Enzyme oder Nebenprodukte des Stoffwechsels hervorgerufen wird, wie sie in der Vorrichtung 10 verwendet werden, ist beschrieben in der US-Patentanmeldung Nr. 07/277,305 (Mather, Foltz und Woodson) mit dem Titel "Rapid method for determining efficacy of a sterilization cycle and rapid read-out biological indicator" (Schnellverfahren zur Bestimmung der Wirksamkeit eines Sterilisationsvorganges und schnell abzulesender biologischer Indikator), eingereicht am 29. November 1988 und übertragen auf die Inhaberin der vorliegenden Patentanmeldung. Normalerweise kann das lumineszierende Zielmaterial 12 bei einer ganz bestimmten oder bei mehreren Fluoreszenzwellenlängen angeregt werden.
Eine Entladungslampe 14, normalerweise eine UV-Lampe, ist so positioniert, daß das Röhrchen, welches das lumineszierende Zielmaterial 12 enthält, vorzugsweise direkt angeregt wird. Die Entladungslampe 14 ist so ausgelegt, daß sie bei einer Fluoreszenzwellenlänge arbeitet, um das lumineszierende Zielmaterial 12 so anzuregen, daß es eine Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichtes erzeugt. Die Entladungslampe 14 wird über eine Wechselspannungsquelle betrieben, normalerweise über eine 60Hz-Stromquelle, wie sie durch den Stecker 16 angedeutet ist. Die Entladungslampe 14 ist so angeordnet, daß sie außerdem, vorzugsweise direkt, ein lumineszierendes Referenzmaterial 18 anregt. Ein Beispiel für eine Entladungslampe 14, die hier verwendet werden könnte, ist die wohlbekannte Serie von Leuchtstofflampen vom Typ "BL", die überall im Handel erhältlich sind. Eine bevorzugte Entladungslampe 14 ist eine Lampe vom Typ F4T5BLB, die von mehreren Herstellern erhältlich ist.
Eine erste Photodiode 22, die vorzugsweise im Sperrschichtmodus arbeitet, ist so positioniert, daß sie die Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials 12 empfängt. Eine zweite Photodiode 24, die vorzugsweise im Sperrschichtmodus arbeitet, ist so positioniert, daß sie die Fluoreszenz des lumineszierenden Referenzmaterials 18 empfängt. Wahlweise kann eine erste Linse 26 zwischen dem lumineszierenden Zielmaterial 12 und der ersten Photodiode 22 positioniert sein, um die Kollimation der Fluoreszenzwirkung zu verbessern. In ähnlicher Weise kann eine wahlweise zweite Linse 28 zwischen dem lumineszierenden Referenzmaterial 18 und der zweiten Photodiode 24 angeordnet werden. Zusätzlich können die Linse 26 und die Linse 28 als Filter gewählt werden, um wahlweise Licht einer größeren Wellenlänge wie zum Beispiel rotes Licht und Infrarotlicht auszuschalten, wodurch störende elektromagnetische Strahlung abgehalten wird. Falls notwendig, wird ein Schirm 30 vorgesehen, um zu verhindern, daß die Entladungslampe 14 entweder die erste Photodiode 22 oder die zweite Photodiode 24 direkt anregt.
Die erste Photodiode 22 ist so ausgelegt, daß sie auf sichtbares Licht im Wellenlängenbereich der Fluoreszenz des fluoreszierenden Zielmaterials 12 anspricht. In ähnlicher Weise ist die zweite Photodiode 24 so ausgelegt, daß sie auf sichtbares Licht im Wellenlängenbereich der Fluoreszenz des lumineszierenden Referenzmaterials anspricht. Da bei der bevorzugten Funktionsweise die Vorrichtung 10 so ausgelegt ist, daß sie feststellt, ob die Fluoreszenz über einem vorbestimmten Schwellwert liegt, ist es nicht erforderlich, daß die elektrischen Kennwerte der ersten Photodiode 22 an die elektrischen Kennwerte der zweiten Photodiode 24 angepaßt werden. Obwohl es vorzuziehen ist, daß die Kennwerte einander im allgemeinen ähnlich sind, damit die Vorrichtung über einen breiteren Bereich von Ausgangssignalen mehr linear wird, ist es vor allem bei einer Schwellwertvorrichtung ausreichend, wenn die Kennwerte für den Bereich des erwarteten Schwellwertes eingestellt werden können. Somit müssen die erste und die zweite Photodiode (22 und 24) überhaupt nicht aufeinander abgestimmt sein. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine tatsächliche Photodiode als erste Photodiode 22 verwendet, während ein als Photodiode arbeitender Phototransistor als zweite Photodiode 24 verwendet wird. Ein Phototransistor wird deshalb verwendet, weil er von Haus aus kostengünstiger ist, und weil die Messung auf der Basis des lumineszierenden Referenzmaterials reguliert wird, um die Kennwerte genau auf den Schwellwert abzustimmen. Die bevorzugte erste Photodiode 22 ist eine Photodiode vom Typ SD-041-12-12-211, die von United Detector Technology erhältlich ist, und die bevorzugte zweite Photodiode 24 (eigentlich ein Phototransistor, der als Photodiode arbeitet) ist vom Typ L14N2, erhältlich von General Electric. Es ist nicht besonders wichtig, daß es sich bei diesen Elementen um Photodioden, Phototransistoren oder dergleichen handelt, solange sie auf sichtbares Licht im Frequenzbereich der Fluoreszenz der lumineszierenden Materialien ansprechen und dementsprechend ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Vorzugsweise ist die hervorgerufene elektrische Antwort eine an dem Element anliegende Spannung oder das Ausgangssignal des Elementes.
Während das lumineszierende Zielmaterial 12 in dem Röhrchen enthalten ist, in dem sich möglicherweise die lebenden Keime befinden, wird für das lumineszierende Referenzmaterial 18 kein solch kompliziertes Material benötigt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das lumineszierende Referenzmaterial 18 einfach ein Stück Material, z.B. Pappe, das/die mit einer Farbe überzogen ist, um eine sichtbare Antwort auf das UV-Licht der Entladungslampe 14 ähnlich wie auf das Fluoreszenzspektrum des lumineszierenden Zielmaterials 12 zu erzeugen.
Während die elektrischen Kennwerte der ersten Photodiode 22 und der zweiten Photodiode 24 nicht besonders wichtig sind, ist in einer Ausführungsform der Erfindung der elektrische Anschluß dieser Elemente entscheidend. Die erste Photodiode 22 und die zweite Photodiode 24 werden "Rücken an Rücken" elektrisch miteinander verbunden, d.h. elektrisch mit Erde in Reihe geschaltet, aber entgegengesetzt gerichtet, so daß die von einer der Photodioden (22 oder 24) erzeugte Spannung von der anderen der Photodioden (24 oder 22) direkt kompensiert wird. Da die erzeugten Spannungen einander kompensieren, ist die an beiden Photodioden (22 und 24) auftretende Spannung die aus jedem Spannungsunterschied zwischen den Photodioden 22 und 24 resultierende Spannung. In der Tat sollte die Vorrichtung 10 vorzugsweise so eingestellt werden, daß der Nettospannungsausgang der Photodioden bei der Schwellenbedingung ungefähr null ist.
Die Vorrichtung 10 wird in der oben erläuterten Weise eingestellt, indem der Ausgang der Photodiode 24 (die das lumineszierende Referenzmaterial 18 mißt) verändert wird. Der elektrische Ausgang der Photodiode 24 kann eingestellt werden, indem ihr physischer Abstand von dem lumineszierenden Referenzmaterial 18 verändert wird, indem das auf die Diode einfallende Licht teilweise abgedeckt wird, oder indem zusätzlich ein Parallelwiderstand vorgesehen wird. Dies geschieht beispielsweise durch eine Stellschraube oder einen Spulenkern, mit der bzw. mit dem die Halterung des lumineszierenden Referenzmaterials 18 in bezug auf die Photodiode 24 verschoben wird. Wenn das lumineszierende Referenzmaterial 18 jedoch positioniert bzw. eingestellt ist, liefert es einen stabilen Bezugswert für die Lumineszenz, anhand dessen der Schwellwert der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung ermittelt werden kann.
Die elektrischen Kennwerte der ersten Photodiode 22 und der zweiten Photodiode 24 sind zwar nicht aufeinander abgestimmt, aber es wird erwartet, daß eine zufriedenstellende Leistung der Vorrichtung 10 in einem begrenzten Fluoreszenzbereich zu erreichen ist, wenn eine tatsächliche Messung der Fluoreszenz erwünscht ist und nicht so sehr eine Angabe des Schwellwertes.
Wenn die Photodioden 22 und 24 "Rücken an Rücken" miteinander gekoppelt sind, wie in der Figur gezeigt, erzeugen die Photodioden 22 und 24 Kompensationsströme und ein Ausgangssignal für null Restspannung an der Leitung 32 (in bezug auf Erde) bei der Schwellenbedingung, unabhängig von der Amplitude des von der Entladungslampe 14 erzeugten UV- Lichts
Während in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine einzige Entladungslampe 14 verwendet wird, die sowohl das lumineszierende Zielmaterial 12 als auch das lumineszierende Referenzmaterial 18 anregt, ist es nicht notwendig, daß eine einzige Entladungslampe verwendet wird, um sämtliche Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Getrennte Entladungslampen (analog zur Entladungslampe 14) könnten verwendet werden, um die lumineszierenden Materialien (12 und 18) anzuregen. Obwohl jede Entladungslampe einen unterschiedlichen Strahlungspegel erzeugen könnte, könnte dieser Unterschied mit den oben beschriebenen Einstellverfahren kompensiert werden. Jede Entladungslampe würde vorzugsweise an dieselbe Stromquelle angeschlossen werden. Somit wären auch die Schwankungen in dem an die Entladungslampen gelieferten Strompegel die gleichen, und es käme zu ähnlichen Änderungen im Pegel der bei der Entladung erzeugten Strahlung.
Die Photodioden 22 und 24 sind laut Beschreibung "Rücken an Rücken" miteinander gekoppelt. Andere Anschlußformen werden auch in Betracht gezogen. In einer Ausführungsform der Erfindung müssen diesen anderen Anschlußformen dazu führen, daß die elektrische Antwort der Photodiode 22 der elektrischen Antwort der Photodiode 24 entgegengesetzt ist, oder mit anderen Worten, die von dem lumineszierenden Zielmaterial 12 hervorgerufene elektrische Antwort muß der von dem lumineszierenden Referenzmaterial 18 hervorgerufenen Antwort entgegengesetzt sein. Bei der Schwellenbedingung würde dies zu einer Löschung der elektrischen Antworten und einem kombinierten Ausgangssignal 32 für null Restspannung führen. Durch die Kopplung der Photodioden 22 und 28 "Rücken an Rücken" kann ein einziger Verstärkungskanal für das kombinierte Ausgangssignal 32 verwendet werden. Da nur ein einziger Verstärkungskanal erforderlich ist, besteht bei zwei Verstärkungskanälen entweder die Möglichkeit schlecht aufeinander abgestimmter Bauteile und infolgedessen ungenauer Messungen, oder es ist eine sehr teure Anpassung der Bauteile zwischen den zwei Kanälen erforderlich.
Bei der Schwellenbedingung der Vorrichtung 10 ist das kombinierte Ausgangssignal 32 von den Photodioden extrem schwach, weil die elektrischen Antworten zueinander entgegengesetzt sind. Wenn die hervorgerufene elektrische Antwort von dem lumineszierenden Zielmaterial 12 etwas stärker ist als die hervorgerufene elektrische Antwort von dem lumineszierenden Referenzmaterial 18, was auf das Vorhandensein von Fluoreszenz in dem zu untersuchenden Röhrchen und eine größere Menge lebender Keime als zulässig aufgrund eines unzureichenden Sterilisationsvorganges hindeutet, wird das kombinierte Ausgangssignal 32 leicht positiv (oder negativ, je nach Art des Anschlusses) sein. Umgekehrt, wenn die hervorgerufene elektrische Antwort von dem lumineszierenden Zielmaterial 12 etwas schwächer ist als die hervorgerufene elektrische Antwort von dem lumineszierenden Referenzmaterial 18, was auf das Vorhandensein von Fluoreszenz in dem zu untersuchenden Röhrchen und eine geringere Menge lebender Keime als zulässig aufgrund eines ordnungsgemäßen Sterilisationsvorganges hindeutet, wird das kombinierte Ausgangssignal 32 leicht negativ (oder positiv, je nach Art des Anschlusses) sein.
Da das kombinierte Ausgangssignal 32 im Bereich der Schwellenbedingung eine sehr kleine Amplitude aufweist, muß es stark verstärkt werden. Aufgrund der dabei auftretenden sehr niedrigen Amplitudenpegel kann eine Gleichstromdrift im allgemeinen dazu führen, daß das Signal verschleiert wird, was zur Folge hat, daß sich der Schwellwert regellos verändert. Damit wäre die Erfassung unsicher, und man bekommt ungenaue Ergebnisse. Eine Wechselstromkopplung anstelle der normaleren Gleichstromkopplung würde das Problem der Gleichstromdrift lösen, aber leider würde dadurch auch das erfaßte schwache Gleichstromsignal verschleiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 erfaßt wird. Da die Photodioden 22 und 24 entgegengesetzt gekoppelt sind, ist das kombinierte Ausgangssignal 23 dann, wenn das elektrische Ausgangssignal von einer Photodiode vorherrscht, ein Signal der einen Phase, und umgekehrt, wenn das elektrische Ausgangssignal der anderen Photodiode vorherrscht, handelt es sich bei dem kombinierten Ausgangssignal 32 um ein Signal der entgegengesetzten Phase. Ein Detektor, der die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 untersucht, kann also feststellen, welches lumineszierende Material (12 oder 18) mehr fluoresziert, wodurch er feststellt, ob das lumineszierende Zielmaterial über oder unter dem Schwellwert fluoresziert. In der Tat muß man nicht unbedingt die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 kennen, sondern man muß lediglich wissen, ob sich die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 von dem Zeitpunkt, wo das lumineszierende Zielmaterial 12 von der Vorrichtung 10 entfernt wird, bis zu dem Zeitpunkt, wo das lumineszierende Zielmaterial 12 in die Vorrichtung 10 eingesetzt wird, ändert. Wenn die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 sich beim Einsetzen nicht ändert, dann ist immer noch das elektrische Ausgangssignal von dem lumineszierenden Referenzmaterial 18 vorherrschend, die Fluoreszenz von dem lumineszierenden Referenzmaterial 18 ist stärker als die Fluoreszenz von dem lumineszierenden Zielmaterial 12, und der Sterilisationsvorgang läuft. Wenn sich jedoch die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 beim Einsetzen ändert, dann ist das elektrische Ausgangssignal von dem lumineszierenden Zielmaterial 12 vorherrschend, die Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials 12 ist stärker als die Fluoreszenz des lumineszierenden Referenzmaterials 18, und der Sterilisationsvorgang mißlingt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 mit einem Signal einer bekannten Phase, nämlich der Phase des Netzspannungssignals verglichen. Somit ist es nicht notwendig, nach einer Phasenänderung Ausschau zu halten, wenn das lumineszierende Zielmaterial 12 in die Vorrichtung 10 eingesetzt oder aus dieser herausgenommen wird. Die Vorrichtung kann feststellen, ob die Phase des kombinierten Ausgangssignals 32 dem Zustand der stärkeren Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials 12 oder dem Zustand der stärkeren Fluoreszenz des lumineszierenden Referenzmaterials 18 entspricht.
Das kombinierte Ausgangssignal 32 wird in dem Operationsverstärker 34 verstärkt. Es kann zwar im allgemeinen jede Verstärkungsschaltung verwendet werden, aber in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Operationsverstärker 34 um einen 120Hz-Bandpaßverstärker, z.B. einen Teil einer Schaltung 34002 von Motorola. Leuchtstofflampen, also der Typ Lampe, der normalerweise als Entladungslampe 14 verwendet wird, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, schwingen mit Netzfrequenz, normalerweise 60 Hz. Die Erfahrung hat gezeigt, daß Leuchtstofflampen eine sehr große Modulationskomponente mit dem Doppelten der Netzfrequenz (der zweiten Oberschwingung) erzeugen, in diesem Fall also 120 Hz. Die Erfahrung hat auch gezeigt, daß die zweite Oberschwingung recht stabil ist. In der Tat ist die zweite Oberschwingung die stabilste Komponente der verschiedenen Oberschwingungen der Netzfrequenz. Die Grundkomponente, also die 60Hz-Komponente, ist im wesentlichen unbrauchbar, weil sich wenig kontrollieren läßt, wieviel Grundschwingung vorhanden ist. Aufgrund von Unterschieden in den Glühfäden der Leuchtstofflampe kann die Leuchtstofflampe an einem Ende mehr ionisieren als am anderen, was zu großen Schwankungen in der Menge der verfügbaren Grundkomponente führt. In der Tat, wenn die Glühfäden der Leuchtstofflampe genau aufeinander abgestimmt sind, würden sie einander aufheben, und es gäbe überhaupt keine Grundschwingung (60 Hz). Die zweite Oberschwingung ist jedoch von Grund auf stabil, da jedes Ende der Glühfäden der Leuchtstofflampe eine zweite Oberschwingung erzeugt, die die am entgegengesetzten Ende der Leuchtstofflampe erzeugte zweite Oberschwingung nicht aufhebt. Höhere Oberschwingungen sind jedoch von Natur aus in ihrer Phase und Amplitude instabil, weil sie stark von Plasmaereignissen in der Leuchtstofflampe abhängen.
Durch Verwendung des Operationsverstärkers 34 können die Stufen der Vorrichtung 10 mittels Wechselstrom entkoppelt werden, wodurch jedes Problem einer Gleichstromdrift ausgeschaltet wird.
Die Phase des Ausgangs von dem Operationsverstärker 34 wird dann mit der von dem Stecker 16 kommenden Phase der Netzspannungsquelle verglichen. Ein 120Hz-Netzgenerator 36 (tatsächlich doppelte Netzfrequenz) ist direkt mit der Netzspannungsquelle gekoppelt (über den Stecker 16). Ein einfaches bevorzugtes Beispiel für den 12Hz-Netzgenerator 36 ist ein allgemein erhältlicher Vollweggleichrichter.
Wahlweise kann ein Phasenregelkreis verwendet werden. Somit liefert der Ausgang des 120Hz-Netzgenerators 36 ein Bezugssignal für die Betriebsbereitschaft, ein phasensynchronisiertes elektrisches Bezugssignal, mit dem der Ausgang des Operationsverstärkers 34 verglichen werden kann. Beide Signale werden zu der Summiereinrichtung 38 geschickt, die den Ausgang des Operationsverstärkers 34 zu dem Ausgang des 120Hz-Netzgenerators addiert. Da in einem Phasenzustand die Signale sich im Falle ihrer Addition gegenseitig verstärken, stellt der Ausgang der Summiereinrichtung 38 eine Amplitudenantwort auf den Phasenvergleich dar. In Verbindung mit dem 120Hz-Netzgenerator wandelt die Summiereinrichtung 38 die im Ausgang des Operationsverstärkers 34 enthaltene Phaseninformation in Amplitudeninformation um. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Summiereinrichtung 38 ein Teil einer Schaltung 34002 von Motorola sein.
Wahlweise kann eine Phasenverzögerung 40 zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 34 und dem Eingang der Summiereinrichtung 38 eingefügt sein. Die Phasenverzögerung 40 kann dazu verwendet werden, eine der Phasen des Ausgangssignals von dem Operationsverstärker 34 mit dem elektrischen Bezugssignal von dem 120Hz-Netzgenerator 36 zur Deckung zu bringen. In dem Operationsverstärker 34 besteht von Haus aus eine gewisse Phasenverzögerung (da er ein 120Hz-Bandpaßfilter umfaßt), und in dem 120Hz-Netzgenerator 36 gibt es auch eine gewisse Phasenverzögerung. Um sicherzustellen, daß die an der Summiereinrichtung 38 auftretenden Signale einander tatsächlich entgegengesetzt sind oder sich verstärken, werden die Signale an sich auf einem Oszilloskop betrachtet, und die Phasenverzögerung 40 wird so eingestellt, daß die Signale einander entgegengesetzt sind oder sich verstärken. Normalerweise kann die Phasenverzögerung 40 als Widerstands-/Kondensatornetzwerk ausgelegt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Phasenverzögerung 40 aus einem 10kX-Serienwiderstand und einem 47uF-Parallelkondensator hergestellt.
Der Ausgang von der Summiereinrichtung 38 wird mit seiner Amplitudeninformation direkt zu dem Hüllkurvendetektor 42 geleitet. Der Hüllkurvendetektor 42 erfaßt die Hüllkurve des Signals, d.h. die Spitzen des Signals, und setzt ein Ausgangssignal ab, wenn das Signal den (an sich ermittelten) Schwellwert erreicht. Bei dem Hüllkurvendetektor 42 kann es sich um einen von vielen bekannten, allgemein üblichen Hüllkurvendetektoren handeln, und in einer Ausführungsform kann es sich dabei um einen Diodenspitzenwertdetektor und ein Tiefpaßfilter handeln. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Hüllkurvendetektor 42 aus einem Paar Dioden vom Typ 1N414B und einem Tiefpaßfilter, das aus einem 10kX-Widerstand und einem 2,2uF-Kondensator hergestellt ist. Der Kondensator 44, vorzugsweise mit 2,2 uF, schaltet jegliche Wechselstromschwankungen aus, die noch am Ausgang des Hüllkurvendetektors 42 vorhanden sind. Der Kondensator 44 gehört auch zu dem Tiefpaßfilter des Hüllkurvendetektors 42.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Ausgangssignal des Hüllkurvendetektors 42 dann zu einer Vergleichseinrichtung 46 geschickt, wo die Amplitude des Signals mit einem Signal verglichen wird, dessen Pegel auf der Amplitude der Netzspannung basiert. Die mit dem Ausgang des 120Hz-Netzgenerators 36 verbundene Diode 48 liefert ein einweggleichgerichtetes Signal von der Netzspannungsquelle. Dieses einweggleichgerichtete Signal hat natürlich eine Gleichstromkomponente, die direkt mit der Amplitude der Wechselspannungsquelle in Zusammenhang steht. Die Widerstände 50 und 52 sorgen für eine Spannungsteilung, um einen geeigneten Signalpegel zwecks Vergleich an der Vergleichseinrichtung 46 zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vergleichseinrichtung 46 Bestandteil einer Schaltung 34002 von Motorola. Der Kondensator 54 schaltet jede verbleibende Wechselstromkomponente aus. Durch die an sich schon richtige Auswahl der Widerstände 50 und 52 liefert die Vergleichseinrichtung 46 einen Vergleich des Signals von dem Hüllkurvendetektor 42 mit der Amplitude der Netzspannungsquelle. Da der Ausgang des Hüllkurvendetektors auf Grund von Schwankungen in der Netzspannung beachtlich schwanken kann, kann die Vergleichseinrichtung, 46 diese Schwankungen ausschalten. Bei der Vergleichseinrichtung 46 kann es sich um eine von vielen wohlbekannten Vergleichseinrichtungen handeln, und in einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich um einen FET(Feldeffekttransistor)- Eingangsoperationsverstärker handeln, der mittels Hysterese arbeitet. Die Widerstände 50 und 52 sind vorzugsweise so gewählt, daß an dem gewünschten Schwellwert der Messung ein Vergleichswert von 1 MX bzw. 200 kX erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt eine einzige Motorola-Schaltung vom Typ 34002 einen Operationsverstärker 34, eine Summiereinrichtung 38 und eine Vergleichseinrichtung 46.
Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 46 richtet sich nach der Menge der bei dem lumineszierenden Zielmaterial 12 erfaßten Fluoreszenz und dient zur Ansteuerung einer Anzeigeeinrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzeigeeinrichtung 56 einfach ein Licht, das eine Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials 12 über oder unter einem Schwellwert anzeigt, was darauf hindeutet, daß ein Sterilisationsvorgang mißlungen ist oder noch läuft.
Andere Anzeigevorrichtungen wie ein Meßgerät, eine Digitalanzeige oder ein Alarmton könnten ebenfalls verwendet werden.
Die Vorrichtung 10 nutzt also getrennte Aspekte der vorliegenden Erfindung, nämlich die Verwendung von "Rücken an Rücken" gekoppelten Photodioden für das Zielmaterial und das Referenzmaterial mit einem einzigen Kanal, die Verwendung eines 120Hz-Bauteils zum Phasenvergleich, und den Vergleich des Ausgangssignals mit der Amplitude der Netzspannung.
Man sieht also, daß hier eine neue Vorrichtung zur Erfassung der Fluoreszenz eines lumineszierenden Materials gezeigt und beschrieben wurde. Es versteht sich jedoch, daß verschiedene Änderungen, Modifikationen und Substitutionen in der Form und in den Einzelheiten der vorliegenden Erfindungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne den in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials (12), das bei einer Erregungswellenlänge erregbar ist und bei einer Fluoreszenzwellenlänge fluoresziert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein lumineszierendes Referenzmaterial (18), eine Lichtquelle (14), die so angeordnet ist, daß sie das lumineszierende Zielmaterial (12) und das lumineszierende Referenzmateria1 (18) bei ungefähr der Erregungswellenlänge erregt, eine erste Ansprecheinrichtung (22), die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Zielmaterial (12) bei ungefähr der Fluoreszenzwellenlänge anspricht, um eine erste elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Zielmaterial bei der Fluoreszenzwellenlänge empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen, und eine zweite Ansprecheinrichtung (24), die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Referenzmaterial (18) anspricht, um eine zweite elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Referenzmaterial empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen, und eine Anzeigevorrichtung (56), die den Zustand der Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials in Abhängigkeit von mindestens einer von der ersten Antwort und der zweiten Antwort anzeigt, wobei die erste Ansprecheinrichtung (22) und die zweite Ansprecheinrichtung (24) so angeordnet sind, daß die erste elektrische Antwort der zweiten elektrischen Antwort gegenübersteht, so daß ein kombiniertes Ausgangssignal entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Lichtquelle eine Entladungslampe (14) ist, die mit einer Wechselspannungsquelle (16) gekoppelt sein kann, die mit einer Quellenfrequenz arbeitet;

ein mit dem kombinierten Ausgangssignal (32) gekoppelte Bandpaßfilter (34) so gewählt ist, daß es vorwiegend Signale mit ungefähr der doppelten Frequenz wie die Quellenfrequenz hindurchläßt, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen; und daß

ein Phasendetektor (36, 38) mit dem Bandpaßfilter gekoppelt ist, um die Phase des gefilterten Ausgangssignals festzustellen und eine erste Antwort zu erzeugen, wenn das gefilterte Ausgangssignal ein Signal einer ersten Phase ist, und eine zweite Antwort zu erzeugen, wenn das gefilterte Signal ein Signal einer zweiten Phase ist.

2. Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz nach Anspruch 1, bei der die erste Ansprecheinrichtung und die zweite Ansprecheinrichtung eine erste (22) und eine zweite (24) Photodiode umfaßt, die im Sperrschichtmodus arbeiten, wobei die erste und die zweite Photodiode (22, 24) Rücken an Rücken miteinander gekoppelt sind.

3. Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz nach Anspruch 2, bei der der Phasendetektor einen Gleichrichter (36) umfaßt, der mit der Wechselspannungsquelle (16) gekoppelt ist, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal zu erzeugen, eine Summiereinrichtung (38), die mit dem Bandpaßfilter (34) und dem Gleichrichter (36) gekoppelt ist, um das gefilterte Ausgangssignal und das gleichgerichtete Ausgangssignal zu summieren und ein summiertes Signal abzusetzen, wobei ein relativ hoher Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die erste Antwort hindeutet, und ein relativ niedriger Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die zweite Antwort hindeutet.

4. Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials (12), das bei einer Erregungswellenlänge erregbar ist und bei einer Fluoreszenzwellenlänge fluoresziert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein lumineszierendes Referenzmaterial (18), eine Lichtquelle (14), die so angeordnet ist, daß sie das lumineszierende Zielmaterial (12) und das lumineszierende Referenzmaterial (18) bei ungefähr der Erregungswellenlange erregt, eine erste Ansprecheinrichtung (22), die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Zielmaterial (12) bei ungefähr der Fluoreszenzwellenlänge anspricht, um eine erste elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Zielmaterial bei der Fluoreszenwellenlänge empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen; eine zweite Ansprecheinrichtung (24), die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Referenzmaterial (18) anspricht, um eine zweite elektrische Antwort in Abhängigkeit von der von dem lumineszierenden Referenzmaterial empfangenen elektromagnetischen Energie abzusetzen; und eine Anzeigevorrichtung (56), die den Zustand der Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials in Abhängigkeit von mindestens einer von der ersten Antwort und der zweiten Antwort anzeigt, wobei die erste Ansprecheinrichtung (22) und die zweite Ansprecheinrichtung (24) so angeordnet sind, daß die erste elektrische Antwort der zweiten elektrischen Antwort gegenübersteht, so daß ein kombiniertes Ausgangssignal entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Lichtquelle eine Entladungslampe ist, die mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, die mit einer Quellenfrequenz arbeitet;

ein Phasenumformer (34) mit der ersten und der zweiten Photodiode gekoppelt ist, um Amplitudenänderungen des Photodiodenausgangssignals in Phasenänderungen umzuwandeln, wobei ein Phasenausgangssignal erzeugt wird; und daß

ein Phasendetektor (36, 38) mit dem Phasenausgangssignal gekoppelt ist, um die Phase des gefilterten Ausgangssignal zu erfassen und eine erste Antwort abzusetzen, wenn das gefilterte Ausgangssignal ein Signal einer ersten Phase ist, und eine zweite Antwort abzusetzen, wenn das gefilterte Signal ein Signal einer zweiten Phase ist, wobei der Phasendetektor einen Gleichrichter (36) umfaßt, der mit der Wechselspannungsquelle (16) gekoppelt sein kann, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal zu erzeugen, und eine Summiereinrichtung (38), die mit dem Phasenumformer und dem Gleichrichter gekoppelt ist, um das gefilterte Ausgangssignal und das gleichgerichtete Ausgangssignal zu summieren und ein summiertes Signal zu erzeugen, wobei ein relativ hoher Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die erste Antwort hindeutet, und ein relativ niedriger Wert für die Amplitude des summierten Signals auf die zweite Antwort hindeutet.

5. Vorrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz eines lumineszierenden Zielmaterials (12), das bei einer Erregungswellenlänge erregbar ist und bei einer Fluoreszenzwellenlänge fluoresziert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: eine Entladungslampe, die mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt sein kann, die mit einer Quellenfrequenz arbeitet und so angeordnet ist, daß sie das lumineszierende Zielmaterial bei ungefähr der Erregungswellenlänge erregt, eine Photodiode (22), die so angeordnet ist, daß sie auf das lumineszierende Zielmaterial anspricht und dabei ein Photodiodenausgangssignal (32) erzeugt, und eine Anzeigevorrichtung (56), die die Fluoreszenz des lumineszierenden Zielmaterials anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Photodiodenausgangssignal (32) gekoppeltes Bandpaßfilter (34) vorgesehen ist, das so gewählt ist, daß es vorwiegend Signale mit ungefähr der doppelten Frequenz wie die Quellenfrequenz hindurchläßt, um ein gefiltertes Ausgangssignal zur Verwendung durch die Anzeigevorrichtung (56) zu erzeugen.