FI96067C - Menetelmä ja laite tuikevalopulssien laskemiseksi - Google Patents

Description

- 96067

MENETELMÄ JA LAITE TUIKEVALOPULSSIEN LASKEMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä biokemiassa käytettyjen kemiluminisenssileimojen tai radioisotooppien tuikeai-neessa synnyttämien valopulssien lukumäärän laskemiseksi ja 5 voimakkuuden mittaamiseksi tasomaisissa näytteissä.

KEKSINNÖN TAUSTA

Useissa biokemiallisissa määritys- ja analysointimenetelmissä mitataan erilaisten proteiinien tai muiden molekyylien paikkaa ja määrää jollakin tasomaisella alustalla. Tyypilli-10 siä esimerkkejä tällaisesta ovat elektroforeesi, ohutlevyjä paperikromatografia. Uudempia menetelmiä ovat esimerkiksi nailonkalvoilla tehtävät hybridisaatiot ja erilaiset suoda-tinmateriaalilla tehtävät soluerotusmenetelmät. Viimeksi mainittu menetelmä eroaa edellisistä, siinä että näytteiden 15 paikat suodatinkalvolla ovat edeltäkäsin tunnettuja, ja nämä paikat on yleensä järjestetty johonkin säännölliseen järjestykseen. Sen sijaan elektoforeesissa ja kromatograafisissä menetelmissä molekyylien paikka suhteessa muihin, jollakin tavalla erilaisiin molekyyleihin on tärkeä.

20 Koska yhden tai muutaman suurenkin molekyylin häväiseminen sellaisenaan joltakin pinnalta on vaikeaa, niin biokemiassa tutkittavat aineet joudutaan leimaamaan jollakin tunnistusta tai havaitsemista helpottavalla leimalla tai merkkiaineella. Aina viime vuosikymmenelle asti erilaiset radioaktiiviset 25 leimat ovat olleet lähes ainoat käytetyt leimat erityisesti : kromatografiässä. Näin on edelleenkin elektroforeesissa.

Vasta viime vuosina erilaiset ei-radioktiiviset leimat, kuten fluoresenssi- ja kerniluminessileimat ovat yleistyneet. Radioktiivisista merkkiaineista erityisesti käytettyjä ovat 30 olleet beta-säteilijät, kuten tritium (H-3), radiohiili (C-14) ja fosfori (P-32). Osasyynä näiden aineiden käytön yleistymiseen on ollut se, että beta-säteilijöille on ollut a -96007 olemassa luotettava kvantitatiivinen mittausmenetelmä, nestetuikelaskenta.

Matalaenergisten beta-hiukkasten kulkema matka näytteen sisällä tai tuikenesteessä on tyypillisesti muutamia kym-5 meniä mikrometrejä. Tästä johtuen mitattava, radioaktiivi-sesti leimattu näyte on asetettava suoraan kosketukseen tuikeaineen kanssa. Tuikeaine voi olla orgaanisia molekyylejä sisätävä neste tai kiinteä aine tai myös epäorgaaninen kiteinen aine. Tuikenesteessä beta-hiukkanen menettää liike-10 energiansa liuottimen molekyyleille, joilta energia siirtyy mekaanisesti tuikeainemolekyyleille, jotka virittyvät. Tuikeainemolekyylien viritystilat purkautuvat fotoneina, joiden aallonpituus on yleensä spektrin sinisessä päässä. Virittyneiden tuikeainemolekyylien määrä ja samalla myös 15 emissiofotoneiden määrä on verrannolinen beta-hiukkasen luovuttamaan alkuperäiseen energiaan.

Nestetuikelaskimessa nämä emissio- eli tuikefotonit ilmaistaan tavallisesti kahdella valomonistinputkella, joihin tuikefotonit pyritään ohjaamaan hyvillä heijastimilla mah-20 dollisimman tehokkaasti. Valomonistimet toimivat yleensä koinsidenssikytkennässä, jolloin pulssi hyväksytään todelliseksi radioaktiiviseksi hajoamiseksi vain, jos pulssi havaitaan lähes samanaikaisesti molemmissa valomonistinputkissa. Sallittu aikaero on tällöin tavallisesti pienempi kuin 20 25 ns. Koinsidenssitekniikalla saadaan mm. valomonistinputkissa itsestään syntyvät termiset kohinapulssit pois laskentatuloksesta. Molemmilta putkilta yhteenlaskettu pulssinkorkeus on verrannollinen alkuperäisen beta-hiukkasen energiaan. Saatua pulssinkorkeutta tai useista hajoamisista syntynyttä 30 pulssinkorkeuksien jakautumaa eli PHD (= engl. Pulse Height Distribution) käytetään nestetuikelaskennassa esim. isotoopin tunnistamiseen tai kahden erilaisen isotoopin aktiivisuuksien erottamiseen sekä yleensä näytteen ympäristön olosuhteiden analysointiin.

35 Perinteisesti nestetuikelaskimet on suunniteltu mittaamaan 96057 3 näytepulloja. Laite laskee yhdestä pullosta kerrallaan pullossa olevaan tuikenesteeseen liuotettua näytettä ja näytteessä ollutta aktiivisuutta. Yleensä käytetään minuutin laskenta-aikaa. Näytepullojen tilavuus on tyypillisesti 6 ml 5 tai 20 ml. Näytepullot asetetaan muovisiin telineisiin eli räkkeihin (= engl. Rack). Siirtomekanismi kierrättää räkkeja näytekammion alle siten, että näytteenvaihdin voi viedä jokaisen pullon mitattavaksi vuorollaan.

Erillisten näytepullojen sijasta käytetään myös runsaasti 10 monikaivoisia muovisia ruiskupuristettuja näytelevyjä biolääketieteellisissä laboratorioissa. Tyypillisesti moni-kaivoisessa näytelevyssä on 96 kaivoa 8 x 12 matriisissa. Tällaisia näytelevyjä varten on kehitetty uudentyyppinen ' monidetektorinen nestetuikelaskin, joka on esitetty US-15 patentissa nro. 5,061,853 (Lehtinen et ai). Myös tässä monidetektorisessa laitteessa jokainen detektori käyttää kahta valomonistinputkea, jotka ovat koinsidenssikytkennäs-sä. Putket on asetettu vastakkain siten, että toinen valomi-nistinputki on näytekaivon päällä ja toinen alla.

20 Tässä yhteydessä detektorilla tarkoitetaan sellaista ilmaisinta, johon kuuluu näytteen vastakkaisilla puolilla sijaitsevat ja koinsidenssikytkennässä olevat valomonistin-putket. Yleisemmin ilmaisin tai detektori on kuitenkin mikä tahansa yksittäinenkin valomonistinputki, kuvailmaisin tai 25 vastaava, kuten on esitetty jäljempänä selostetussa keksinnön kuvauksessa.

Vain yhtä valomonistinputkea yhtä detektoria kohti käyttävä nestetuikelaskin on esitetty US-patentissa nro. 5,198,670 : (Van Gauter et ai). Myös se on kaupallisessa valmistuksessa.

30 Laitteessa näytepulssit erotellaan kohinapulsseista tarkastelemalla varsinaisen pääpulssin jälkeen tulevia viivästyneitä pulsseja.

Koska myös kemiluminesenssi-ilmiössä syntyy fotoneja, voidaan nestetuikelaskimilla laskea myös kemiluminisenssista 96067 4 lähtöisin olevia pulsseja. Nämä pulssit ovat kuitenkin luonteeltaan yksittäisfotonipulsseja, joten niiden havait-senisessa koinsidenssiehto täytyy kytkeä pois päältä ja käyttää vain toista valomonistinputkea. Jos laitteessa on 5 erilliset laskurit molemmille valomonistinputkille, niin kannattaa tietysti laskea samaa näytettä molemmilla putkilla, koska tällöin saadaan parempi signaali-kohinasuhde kuin samalla mittausajalla yhtä valomonistinputkea käytettäessä.

Lisäksi nestetuikelaskimilla mitataan näytteitä, joissa 10 suodatinmateriaaleille suodatetaan esimerkiksi leimattuja soluja tai solun osia. Perinteisesti tällaiset näytteet on mitattu normaalilla nestetuikelaskimella joko irrottamalla näyte suodattimesta tai leikkaamalla näytteet erilleen suodatinpapereineen ja mittaamalla ne normaaliin tapaan 15 tuikenesteen kanssa pulloissa. Menetelmä ja laite tällaisten näytteiden mittaamiseksi suoraan levyltä on esitetty GB-patentissa nro. 1586966 (Warner et ai). Esitetyssä menetelmässä suodatinpaperi näytteineen suljetaan pussiin yhdessä tuikenesteen kanssa. Pussit voidaan helposti mitata sitä 20 varten rakennetulla mittauslaitteella, jolloin säästetään huomattavasti työtä ja mittausmateriaaleja.

Edellä esitetyssä pussimittausmenetelmässä on kuitenkin eräitä selviä puutteita. Siksi on kehitetty lämmöllä sulatettava tuikeaine Meltilex (Wallac Oy:n tavaramerkki), joka 25 sulana kastelee suodatinpaperin ja jäähtyessään kiinteytyy suodatinpaperin ja näytteen välisiin huokosiin ja rakoihin toimien kuten tuikeneste. Menetelmä ja käytetty materiaali on esitetty US-patentissa nro. 5,198,364 (Oikari ja Yrjönen) ja FI-patentissa nro. 86341 (Suontausta ja Oikari).

; 30 Meltilex-menetelmällä valmistetut näytelevyt ovat erityisen soveliaita mitattavaksi tämän keksinnön kohteena olevalla menetelmällä ja laitteella.

Kaikki edellä mainitut laitteet mittaavat valopulsseja tietyistä ennalta määrätyistä paikoista ja tietyn kokoisen 35 alueen samalla kertaa, joten etukäteen täytyy tietää missä 96067 5 mitattavaa näytettä on. Kuitenkin biokemiassa ja biolääketieteessä on useita määritysmenetelmiä, kuten edellä on mainittu, jossa näytteen tarkkaa paikkaa ei tiedetä etukäteen. Näille menetelmille on olennaista informaatio, joka 5 saadaan leimatun näytteen paikasta. Näin on erityisesti esimerkiksi DNA-analyysissa. Näytelevy voidaan tietysti mitata yhdellä tai useammalla detektorilla pienen aukon kautta piste pisteeltä, jolloin mitatut pisteet yhdistämällä saadaan kuva koko näytelevystä. Tällainen yksidimensionaali-10 nen laite SSS (engl. Scintillation Strip Scanner) on esitetty artikkelissa: [F. L. Snyder: A review of instrumentation and procedures for 14C and JH radioassay by thin-layer and gas-liquid chromatography, Isotopes and Radiation Technology, 6; 381-400 (1969)]. Vaikka detektoreja olisi useampia-15 kin, niin tälläinen mittausmenetelmä on kuitenkin erittäin hidas, sillä yhtä pistettä kohti tarvittava mittausaika riittävän herkkyyden saavuttamiseksi voi olla jopa minuutti.

Jos kerrallaan mitattava ala on esimerkiksi 1 mm2, joka sekin on useissa sovellutuksissa liian suuri, ja näytelevyn koko 20 on esimerkiksi 200 mm x 200 mm, niin tarvittava kokonaismit-tausaika yksidetektorisella laitteella on noin yksi kuukausi, kun jokaista pistettä mitataan yksi minuutti.

Kaikien tällaisten näytteiden mittauksessa onkin käytetty yleisesti röntgenfilmiä, johon beta-hiukkaset vaikuttavat 25 suoraan. Tällainen autoradiografiamenetelmä on edelleenkin käytössä, koska se antaa hyvän resoluution ja on myös erittäin herkkä, mikäli valotusaika vain on riittävän pitkä. Menetelmän varjopuolena onkin juuri tarvittava pitkä valotusaika ja lisäksi mm. filmin kapea dynamiikka-alue ja huono 30 kvantitatiivisyys. Autoradiografian tavoin röntgen-filmiä > käytetään nykyään myös elektroforeesinäytteissä ja hybri-disaatioissa yleistyneille kemiluminisenssileimoille. Tällöin selvä etu on huomattavasti lyhyemmät valotusajat.

Lisäksi on käytössä erilaisia kaasulaskijoita, jotka perus-35 tuvat monilankaverrannollisuuslaskureihin. Niillä on kuitenkin vaikeaa saavuttaa tarvittavaa resoluutiota kaikissa 6 - 96007 sovellutuksissa. Lisäksi kaasuilmaisimet toimivat vain ionisoivaan säteilyyn perustavan merkkiaineen kanssa.

Ratkaisuksi ongelmaan jää erilaisten herkkien elektronisten kuvailmaisimien käyttö, sillä niillä voidaan kuvata sekä 5 kemiluminisenssivaloa että tuikevaloa. Tämän keksinnön sovellutuksissa käyttökelpoiset herkät kuvailmaisimet perustuvat kuvavahvistimeen. Sitä käytetään joko vahvistimena tavallisen elektronisen kuvailmaisimen edessä, joka voi olla esim. puolijohde- tai tyhjiöputki-ilmaisin, tai sitten 10 yksinään paikkaherkän valomonistinputken tavoin. Erittäin herkkä ns. jäähdytetty CCD-kamera (engl. Cooled Charge Coupled Device) ei käy näissä sovellutuksissa, koska sillä ei voi tehdä yksittäisfotonikuvausta (engl. Single Photon Imaging). Parhaimmillakin tarvitaan noin kymmenen fotoelekt-15 ronin varaus, jotta CCD-kameralla saadaan havaittava signaa li.

Kuvavahvistin on tyhjiöputki, jonka toisessa päässä sen sisäpinnalla on elektroneja emittoiva fotokatodi, joka on saman tyyppinen kuin valomonistinputkissa. Tyhjiöputken 20 toisen pään sisäpinnalla on epäorgaanisella loiste- ainejauholla (engl. Inorganic Phosphor Powder) päällystetty varjostin (engl. Screen), johon fotokatodilta irronneet elektronit kiihdytetään sähkökentän avulla. Törmätessään loisteaineeseen elektronit synnyttävät tuikahduksen. Usein 25 putken sisään lisätään yksi tai useampia mikrokanavalevyjä (engl. MicroChannel Plates) lisäämään vahvistusta. Mikro-kanavalevy koostuu pienistä, halkaisijaltaan esim. 12 pm suuruisista kanavista, jotka kukin toimivat kuten valomonis-timen dynodiketju (engl. dynode chain).

- 30 Yksittäisfotonikuvaukseen tai fotonilaskentakuvaukseen pystyvät kuvailmaisimet, joiden sovellutuksesta tässä keksinnössä on kysymys, jaetaan Ά) integroiviin ja B) ei-integroiviin eli reaaliaikaisiin kuvailmaisimiin. Viimeksi mainittuja ilmaisimia on esitetty artikkelissa: [Tsuchiya Y., 35 Inuzuka E., Kurono T. ja Hosoda M.: Photon counting imaging 96067 7 and its application, Adv. Electron. Electron Phys. 64A; 21-31 (1985)]. Molemmissa luokissa on useita alatyyppejä. Tässä yhteydessä tarkastellaan lähemmin vain molempien luokkien eniten käytetyn tyypin toimintaa tässä keksinnössä, vaikka 5 kaikkia fotonilaskentakuvailmaisimia voidaankin käyttää keksinnössä. Erästä tämän tyyppistä ilmaisinta on hyödynnetty ratkaisussa, joka on esitetty US- patentissa nro.

4,704,522 Two dimensional weak light emitted light measuring device (Hirai, N. ja Watanabe M.). Tässä keksinnössä käyte-10 tyt kuvailmaisimet eroavat fotonilaskentakuvailmaisimista siinä, että yksittäisfotonitapahtumien lisäksi kuvataan myös multifotonitapahtumia, joista mitataan pulssinkorkeusjakauma. Keksinnön mukaisesti tässä käytettäviä kuvailmaisimia voidaan sanoa pulssilaskentakuvailmaisimiksi.

15 A) INTEGROIVA FOTONILASKENTAKUVAILMAISIN

Integroivista fotonilaskentakuvailmaisimista yleisin on ns. vahvistettu CCD eli I-CCD (engl. Intensified Charge Coupled Device), jossa suuren vahvistuksen omaava kuvavahvistin liitetään CCD-kuva-anturin eteen. Liittämiseen käytetään 20 joko kuituoptista komponenttia tai linssioptiikkaa. Tällöin yhden havaitun fotonin aikaansaama välähdys kuvavahvistimen ulostulopinnalla erottuu kameran kuvakentässä selvästi kohinataustasta ja nämä pisteet voidaan jokaisesta kuvakentästä laskea. Koska normaalissa videotaajuisessa signaalissa 25 otetaan 50 kuvakenttää sekunnissa ja jokaisessa kuvakentässä on esim. 110 000 kuva-alkiota, niin tunnetussa menetelmässä mahdolliset fotonipisteet etsitään reaaliajassa nopealla ylä- ja alarajavertailulla. Fotonilaskentakuvauksessa ei kuitenkaan tehdä kuva-analyysiin perustuvaa pulssin paikan 30 ja korkeuden määrittämistä, kuten tehdään tässä esitetyssä keksinnössä.

Integroivien fotonilaskentakuvailmaisimien puute tässä keksinnössä on se, että yksittäisten fotonien tarkkaa saapu-misaikaa ei voida määrittää. Tiedetään vain aikaväli, joi- - 96057 8 loin fotoni on saapunut. Jotta tällaisen kuvailmaisimen yhteydessä voidaan soveltaa koinsidenssilaskentaa, täytyy kuvataajuus nostaa niin korkeaksi, kuten esim. 1000 kuva-kenttää sekunnissa, että yhteen kuvakenttään osuu todennä-5 köisesti vain yksi signaali tai taustapulssi. Tällöin myös koinsidenssiputken pitää havaita samana aikavälinä vain yksi pulssi, jotta ko. kuvakenttä voitaisiin hyväksyä. Toinen tapa käyttää integroivan kameran kanssa koinsidenssiputkea pitkillä integrointiajoilla on verrata koinsidenssiputken 10 havaisemaa pulssimäärää ja niiden pulssinkorkeusjakautumaa kuvailmaisimen havaitsemaan pulssimäärään ja niiden pulssinkorkeus jakautumaan. Vertailun avulla voidaan ainakin osa ei-näytepulsseista poistaa. Yhden kuvakentän integrointiaikaa voidaan vielä lyhentää käyttämällä kuvavahvistinta nopeana 15 elektronisena sulkimena.

Lisäksi voidaan koinsidenssiputken antamaa pulssia tai itse kuvahvistimesta saatavaa ajoituspulssia käyttää ohjaamaan kuvavahvistinta siten, että kuvavahvistin kytketään pois 20 päältä ja kuva luetaan heti, kun jompikumpi putki on havainnut yhden pulssin. Näin voidään myös integroivilla kuvail-maisimilla tehdä todellista koinsidenssilaskentaa. Menetelmän huono puoli on kuitenkin se, että tehollinen mittausaika jää usein pieneksi. Jos kuitenkin näytteen aktiivisuus on 25 hyvin matala ja valomonistinputken kohinapulssitaajuus hyvin alhainen, niin menetelmä on käyttökelpoinen.

B) EI-INTEGROIVA ELI REAALIAIKAINEN FOTON I LAS KENT AKUVA ILMAISIN

Ei-integroiva eli reaaliaikainen fotonilaskentakuvaiImaisin * 30 toimii kuten paikkaherkkä valomonistinputki. Myös se perustuu kuvavahvistimeen ja mikrokanava levyyn, mutta vahvistettua signaalia ei muutetakaan enää valoksi. Sen sijaan signaali luetaan suoraan resistiivisellä anodilla, jonka eri elektrodien varausjakautumasta lasketaan signaalin paikka ja 35 kokonaisvarauksesta saadaan pulssinkorkeus. Tällaisesta 96067 9 detektorista käytetään nm. nimeä RANICON (engl. Resistive Anode Image Converter). Sen periaatte on esitetty julkaisussa: [Lampton, N., and Paresce, F.,: The ranicon. A resistive anode image converter, Rev. Sci. Instrum. 45; 1098 5 (1974)]. Ranicon-kuvailmaisimessa jokaiseen pulssiin erik seen voidaan liittää tarkka tuloaika, paikka ja pulssinkor-keus, joten sen käyttö koinsidenssilaskennassa on samanlaista kuin valomonistinputkenkin. Ajoituspulssia (engl. Timing Pulse) koinsidenssielektroniikalle ei oteta kuitenkaan 10 anodilta, koska siinä pulssin nousuaika on liian hidas, vaan mikrokanavavahvistinlevyistä. Periaate on esitetty julkaisuissa: [Charbonneau, S., Allard, L.B., Young, Jeff F.,

Dyck, G., Kyle, B. J.: Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode 15 photomultiplier tube, Rev. Sci. Instrum. 63; 5315-5319, (1992)] ja [Gao, R.S., Gibner, P.S., Newman, J.H., Smith, K.A. and Stebbings, R.F.: Absolute and angular effeciencies of a microchannel plate position sensitive-detector, Rev Sci Instrum 55,-1756 (1984)].

20 Edellä mainitun tyyppistä fotonilaskentakuvailmaisinta ja sen antamaa mahdollisuutta pulssinkorkeusanalyysiin on sovellettu esim. rottien syöpäkasvaimista tehtyjen ohuiden leikkeiden tutkimiseen. Merkkiaineena oli käytetty mm. monoenergeettisesti säteileviä betasäteilijöitä 67Ga (83 keV) 25 ja U3mIn (360 keV), joiden pulssinkorkeutta verrattiin ko-hinapulssien pulssinkorkeuteen. Se on esitetty artikkelissa: [Ljunggren, K. and Strand, S-E: Beta camera for static and dynamic imaging of charged-particle emitting radionuclides in biological samples, J. Nucl. Med. 31 2058 (1990)]. Siinä 30 käytetty kamera on ns. tuikekamera, jossa muovinen tuikeaine eli tuikemuovi oli kiinnitetty suoraan ilmaisimen kuituoptiseen etulasiin. Jo aiemmin on esitetty paikkaherkän rönt-genspektrometrin prototyyppi artikkelissa: [Yin, Lo I. and Trombka, Jacob I.: New position-sensitive hard x-ray 35 spectrometer. Rev Sci Instrum 51; 844-5 (1980)], jossa nimenomaan väitetään, että se ensimmäinen mikrokanavalevy-laite, joka on myös energiaherkkä eli pystyy pulssinkor- 96067 10 keusanalyysiin. Laitteessa ei ollut varsinaista kuva-anturia lainkaan, mutta sillä osoitettiin, että kuvavahvistinta voidaan käyttää pulssinkorkeusanalyysiin.

Fotonilaskentakameraa eli fotonilaskentakuvailmaisinta 5 yhdessä linssioptiikan kanssa voidaan myös tietysti käyttää levymäisten näytteiden kuvaamiseen. Optiikan käyttämisessä on vielä se etu, että näytelevy, esim. 200 mm x 200 mm, voidaan kuvata kerralla. Esimerkiksi Hamamatsu on esitellyt tällaisen tuotteen jo ainakin vuonna 1987. Linssioptiikan 10 keräysgeometria on kuitenkin niin huono, että vaikka leimana olisi radiohiili, josta syntyy tuikeaaneessa keskimäärin yli 100 optista fotonia yhtä betahiukkasta kohti, niin läheskään kaikkia beta-hajoamisiä ei edes havaita. Nestetuikelasken-nassa taas jokseenkin kaikki hajoamiset havaitaan. Neste-15 tuikelaskennan tärkeä piirre, mahdollisuus kaksoisleimaukseen esimerkiksi tritiumin ja hiilen avulla, ei toimi ollenkaan linssioptiikalla kuvaavan kameran kanssa. Todennäköisyys sille, että edes hiiltä käytettäessä kameraan osuisi yhtäaikaa enemmän kuin yksi fotoni, on hyvin pieni.

20 Esimerkiksi artikkelissa [Joss, U.R. and Schleinkofer, L: Detection of radioactivity from microtiterplates in situ using a photon counting camera, J Biochem Biophys Methods, 1990] on esitetty menetelmä, jossa tutkijat kuvasivat mikro-tiitterilevyssä olevaa tritiumia kiinteän Xtalscint-tuikeai-25 neen kanssa. He saivat triutiumin laskentatehokkuudeksi vain 3 %, kun se nestetuikelaskennassa on n. 70 %. Eli linssiku-vauksella saadaan kolmestakymmenestä hajoamisesta vain yksi pulssi kameraan, kun taas normaalissa nestetuikelaskennassa havaitaan 2/3 kaikista hajoamisista ja niistäkin useimmista • 30 saadaan useita fotoneja hajoamista kohti. Tämä osoittaa, että matalanergisten betasäteilijöiden pulssinkorkeusanalyy-si voidaan tehdä vain jos optinen keräysgeometria on riittävän hyvä. Kuten jäljempänä osoitetaan, ainoa keino saada keräsgeometria riittävän hyväksi on käyttää kontaktikuvaus-35 ta.

96067 11

Kuvavahvistimia sinänsä on sovellettu autoradiografiässä vahvistimina. Artikkelissa [V. Brisgunov, B. Rebentish, I. Gordon and V. Debabov: Application of image intensifier for autoradigraphy of polyacrylamide gels, Anal. Biochem. 66, 5 100-103 (1975)] tutkijat käyttivät ZnS-loisteaineella pääl lystettyä kuvavahvistinputkea, joka asetettiin kontaktiin radiohiilella leimattujen molekyylien kanssa. Vahvistettu kuva rekisteröitiin kuvavahvistimelta tavallisella valoku-vausfilmillä, joka oli kontaktissa kuvavahvistimen ulostulo loikkunaan. Heidän mukaansa valotusaika lyhentyi yhteen tuhannenteen osaan. Jo aikaisemmin artikkelissa [G.T.

Reynolds: Scintillomicroscope for radioactive tracer definition, Rev Sei Instrum 39; 298-302 (1968)] oli osoitettu, että kun linssisysteemi kuvavahvistimen edestä 15 jätettiin pois, ja loisteaineella päällystetty näyte painettiin suoraan kiinni kuvavahvistimen kuituoptiseen ikkunaan, niin optinen keräysgeometria nousi arvosta 0,005 arvoon 0.5 eli satakertaiseksi.

US-patentissa nro. 4,389,670 (J. B. Davidson and A. L. Case) 20 vuodelta 1983 kuvataan elektroninen menetelmä autofluorogra-fiaan. Autofluorografiaa yleensä käytetään matelaenergisten beta-säteilijöiden kanssa autoradiografiän sijasta. Auto-fluorografiässä elektroforeesigeeliin sekoitetaan tuikeaine, ja filmi valottuu valosta eikä suoraan beta-hiukkasista, 25 kuten autoradiografiässä.

Kuitenkin edellä mainituissa sovellutuksissa kuvavahvistimia on käytetty vain vahvistimina eikä radioaktiivisen hajoamisen pulssiluonnetta ole hyödynnetty. Myöskään mainitussa US-patentissa nro. 4,389,670 kuvattu menetelmä ei anna mahdol-. 30 lisuutta eri isotooppien energiaerotteluun, joka on yleisesti käytössä juuri nestetuikelaskennassa. Myöskään kuvavahvistimen käyttö pelkkänä vahvistimena ei anna mahdollisutta termisten pulssien tai muiden ei-näytteestä tulevien pulssien diskriminoimiseen. Yksi pulssilaskennan eduista on juuri 35 se, että pulssien laskentastatistiikka tunnetaan ja sitä voidaan välittömästi käyttää virherajojen ja mittauksen 96067 12 luotettavuuden arviointiin.

KEKSINNÖN SELOSTUS

Tämä keksintö koskee mittausmenetelmää ja laitetta, jossa lasketaan luminisenssi- tai tuikevalopulsseja, jotka synty-5 vät tasomaisessa näytelevyssä tai näytteessä, joka on levitetty tasomaisen tukilevyn päälle.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että valopulssien lukumäärän ja voimakkuuden lisäksi määritetään kustakin valopulssista myös sen paikka, ja että käytetään 10 kuvailmaisinta siten, että kuva ilma is imen valoherkkä pinta ja näyte tuodaan mahdollisimman lähelle toisiaan.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, että siihen kuuluu tukilevy tai vastaava, jonka päällä näyte on mittausti-15 lanteessa, pulssinlaskentalaite, jonka ilmaisin on paikkaherkkä ilmaisin (engl. position sensitive detector), ja laitteisto näytteen ja ilmaisimen tuomiseksi mahdollisimman lähelle toisiaan.

20 Koska valopulssit syntyvät tietyissä biokemiallisissa tutkimusmenetelmissä käytetyistä leimoista, joissa ei leimojen tai leimattujen molekyylien paikkaa edeltäkäsin tunneta, valopulssit lasketaan tämän keksinnön mukaisesti niin, että niistä määritetään myös paikka ja pulssinkorkeus.

• 25 Koska hyvä keräysgeometria on tärkeä pulssien voimakkuuden mittaamiselle, niin käytetään kuvailmaisintä, joka tuodaan tämän keksinnön mukaisesti mahdollisimman lähelle näytettä.

Koska tässä keksinnössä käytetyissä paikkaherkissä ilmaisimissa syntyy myös vääriä pulsseja, jotka eivät ole 30 peräisin näytteestä, voidaan tämän keksinnön mukaisesti 96057 13 käyttää toista ilmaisinta, joka ei ole paikkaherkkä valvomaan varsinaisen ilmaisimen mittausinformaatiota.

PIIRUSTUSTEN KUVIOLUETTELO

Keksinnön mukaista meneltelmää ja laitetta selostetaan 5 tarkemiin seuraavassa oheisten piirustusten avulla, joissa

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti perspektiivikuvaa keksinnön mukaisesta mittauslaitteistosta.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti sivukuvaa mittauslaitteistosta .

10 Kuvio 3 esittää näytelevyä suojakalvoineen asetettuna tuki-levylle.

Kuvio 4 esittää kaaviollisesti sivukuvaa mittauslaitteistosta, johon kuuluu integroiva, paikkaherkkä ilmaisin ICCD.

15 Kuvio 5 esittää perspektiivikuvana yksittäisfotonitapahtu-mien muodostamaa kuvakenttää integroivalla paikka-herkällä ilmaisimella ICCD.

Kuvio 6 esittää päältäpäin nähtynä kuvion 5 yksittäisfo-tonitapahtumien muodostamaa kuvakenttää.

20 Kuvio 7 esittää kaaviollisesti multifotonimittausta integroivalla, paikkaherkällä ilmeisimella ICCD.

Kuvio 8 esittää perspektiivikuvana multifotonitapahtumien muodostamaa kuvakenttää integroivalla paikkaherkällä ilmeisimella ICCD.

25 Kuvio 9 esittää päältäpäin nähtynä kuvion 8 muodostamaa multifotonitapahtumien muodostamaa kuvakenttää.

Kuvio 10 esittää kaaviollisesti sivukuvana linssikytkettyä integroivaa kuvailmaisinta ICCD.

Kuvio 11 esittää kaaviollisesti sivukuvaa mittapäästä, jossa 30 on integroiva kuvailmaisin ICCD, ja tavanomainen valomonistinputki koinsidenssikykennässä.

Kuvio 12 esittää kaaviollisesti sivukuvaa RANICON-tyyppises-tä kuvailmaisimesta koinsidenssikytkennässä.

Kuvio 13 esittää kaaviollisesti sivultapäin nähtynä kahta 96067 14 RANICON-tyyppistä kuvailmaisunta koinsidenssikyt-kennässä.

KUVIEN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty kaaviollisesti keksinnön mukai-5 sen mittauslaitteen mittausyksikkö 10, johon kuuluu liikuteltava tukilevy 11 ja sen kehys 12. Näytelevyn 13 päällä on ohut suojakalvo 14, joka on esim. 3 pm paksu muovikalvo, kuten esim. polyesterikäIvo. Tukilevyn 11 yläpuolella on pulssilaskentakuvailmaisin 20, joka on kytketty kaapelilla 10 21 virtalähteeseen 22 ja toisella kaapelilla 23 analysaatto- rielektroniikkaosaan, jota ei ole esitetty kuvioissa 1 ja 2. Kuvioissa kaapelit on esitetty vain periaatteellisesti, joten yhteen kaapeliin voi todellisuudessa kuulua useitakin eri kaapeleita. Näytelevyn 13 yläpuolella olevaan, paikka-15 herkkään ilmaisimeen 20 liittyy lisäksi nosto- ja laskume-kanismi, joita ei ole esitetty kuvioissa.

Tukilevyn 11 alapuolella on toinen, ei-paikkaherkästi valo-pulsseja laskeva ilmaisin 30, joka on tavallinen valomonis-tinputki. Ilmaisimen 30 virtalähdettä on merkitty viitenume-20 rolla 31. Ilmaisimeen 30 on liitetty mekaaninen heijastin 32, joka rajaa ilmaisimen 30 näkemän alueen samaksi kuin näytelevyn 13 yläpuolella olevalla ilmaisimella 20. Lisäksi siihen liittyy signaalikaapeli 33.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetty tukilevy 11 on kooltaan esim. 220 25 mm x 220 mm, ja paksuudeltaan esim. 1 mm. Se voi olla muovia, lasia, metallia tai tuikemuovia. Se voi myös olla * läpinäkyvä, valkoinen tai peilimäisesti heijastava. Tukilevy ‘ 11 on vaihdettavasti kiinnitetty kehykseen 12, jonka avulla tukilevyä 11 liikutetaan detektorin 20 suhteen siten, että 30 tukilevyn 11 päälle asetettavan näytelevyn 13 kaikki pisteet voidaan mitata.

Pulssilaskentakuvailmaisin 20 voi olla esimerkiksi kuvavah- 96067 15 vistinputki, joka on optisesti kytketty matriisi-ilmaisimeen. Matriisi-ilmaisin voi olla esimerkiksi CCD-detek-tori (engl. Charge Coupled Device), joka edelleen on kytketty analysaattoriin. Se voi myös olla resistiivisellä anodi1-5 la varustettu kuvavahvistinputki tai jonkin muun tyyppinen pulssilaskentaan pystyvä kuvailmaisin.

Kuviossa 3 on esitetty tukilevyn 11 päällä oleva näytelevy 13, joka voi myös olla pelkästään tukilevyn 11 päälle levitetty näyte. Näytteen 13 tai näytelevyn päällä on ohut 10 suojakalvo 14, jonka tarkoituksena on estää ilmaisintä 20 likaantumasta mittauksessa.

Näytelevyyn 13 on katkoviivoilla piirretty kohtisuoraan toisiaan vasten sijaitsevat jaotusviivat 15, joiden avulla on kuvattu mittauksen suoritusperiaatetta. Koska kuvailmai-15 sin pystyy laskemaan valopulssit vain esimerkiksi 20 mm x 18 mm alalta yhdellä kertaa ilmaisinta siirtämättä, on ilmaisinta siirrettävä mittauksessa. Mittaus tehdäänkin siten, että kun yksi paikka 16 on mitattu ilmaisin nostetaan irti suojakalvosta 14 ja tukilevyä 11 näytteineen 13 siirretään.

20 Näytteen uusi mittauspaikka 17 tuodaan ilmaisimen alle ja ilmaisin lasketaan kiinni suojakalvoon 14. Ilmaisin on tuotava niin lähelle, että suojakalvon 14 molemmilla puolilla olevat ilmaraot jäävät mahdollisimman pieniksi.

s

Uusi mittauspaikka 17 voi mennä osittain päällekkäin edelli-25 sen mittauspaikan 16 kanssa. Tällä tavalla koko näytelevy 13 käydään lävitse ja mittaustulokset yhdistetään tietokoneessa yhdeksi kuvaksi huomioiden päällekkäisyydet. Jos näytelevyn 13 koko on esimerkiksi 200 mm x 200 mm, ja mittauksessa käytetään em. detektoria 20, on eri mittauspaikkoja oltava * 30 ainakin 11 x 12 eli 132 kappaletta. Jos yhtä mittauspaikkaa mitataan esimerkiksi yhden minuutin ajan, tulee kokonaismit-tausaika olemaan yli kaksi tuntia. Se ei kuitenkaan oleellisesti poikkea esimerkiksi verrannolisuusilmaisimiin perustuvien laitteiden mittausajoista.

96067 16

Kuviossa 4 on esitetty poikki leikkauskuvana esimerkki integroivasta paikkaherkästä ilmaisimesta 40, johon kuuluu kuva-vahvistin 41 ja siihen optisesti kytketty kuituoptinen kartio 42, johon on optisesti kytketty kuituoptisella etula-5 silla 43 varustettu puolijohdekuva-anturi eli CCD 44.

Näytelevyssä 13 kemiallisen reaktion, kuten kemiluminisens-sin seurauksena syntynyt valopulssi sisältää vain yhden fotonin 18, joka tietyllä todennäköisyydellä ajautuu ylös-10 päin ja kuituoptisen etulasin 45 ikkunan läpi kuvavahvistin-putken fotokatodille 46. Fotokatodilla 46 fotoni tunnetulla todennäisyydellä irrottaa elektronin fotokatodimateriaalis-ta. Elektroni vedetään sähkökentällä kuvavahvistimen 41 sisällä olevan ns. mikrokanavalevyn 47 kanavaan.

15 Mikrokanavalevyt 47 ovat yleensä valmistetut niin, että kanavat eivät ole aivan kohtisuorassa levyn pintaa vastaan, jolloin kohtisuoraan levyyn syöksyvä elektroni törmää kanavan seinämään. Törmäys irrottaa lisää elektroneja kanavan seinämistä ja näin jatkuu edelleen koko kanavan pituudelta.

20 Levyssä tapahtuu siis vahvistus, joka voi olla esimerkiksi tuhatkertainen.

Mikrokanavalevyn 47 kanavasta ulos tulevat elektronit kiihdytetään edelleen sähkökentällä kohti loisteainekerrosta 48 (engl. screen), jossa elektronien liike-energia muuttuu taas 25 valoksi. Käyttämällä kuvavahvistimen 41 sisällä useampaa kuin yhtä mikrokanavalevyä 47 saadaan kuva vahvistimeen esimerkiksi miljoonakertainen vahvistus. Tyypillisesti yksi fotoni synnyttää kuvavahvistimen 41 ulostulopuolella väläh-dyspisteen, jonka halkaisija on noin 50 μια.

30 Koska kuvion 4 esittämässä esimerkkitapauksessa CCD:n 44 pinta-ala on pienempi kuin kuvavahvistimen 41 ulostulopinnan ala, käytetään valon kytkemisessä kuvavahvistimesta CCD-anturiin kuituoptista supistinta 42 (engl. Demagnifying Fiber-optic Taper). Tyypillinen käytetty pienennyssuhde on 35 25:11.

96067 17

Tyypillisen CCD-anturin 44, esim. Thomson 7883, yhden kuva-alkion koko on 23 Mm x 23 Mm, jolloin yhden fotonin vahvistettu ja pienennetty kuva on juuri samaa luokkaa kuin anturin kuva-alkio. Kun CCD-anturia 44 käytetään normaalilla 5 videotaajuudella, niin kaikkiin kuva-alkioihin kerätään valoa 20 ms. Vaikka kuva-anturi 44 pidettäisiin aivan pimeässä, niin jo 20 ms aikana kerääntyy kuvaelementtiin lämpökohinasta johtuva varausmäärä, joka on esimerkiksi 100 elektronia.

10 Vaikka kuvavahvistimelta 41 tuleva valopulssin fotonimäärä jakaantuisikin useamman kuva-alkion kesken, niin kuitenkin kerralla tulevien fotonien määrä on niin suuri, että nämä kuvalementit voidaan helposti erottaa niistä, joissa on pelkiä lämpökohinan synnyttämiä varauksia. Tyypillisesti 15 digitaalisessa kuvankäsittelyssä kuva-anturin varaukset muunnetaan lukuarvoiksi, jotka talletetaan tietokoneen muistiin. Tunnetussa menetelmässä käytetään nopeaa analogista vertailua tutkimaan onko ko. kuva-alkion edustamaan alaan kuvavahvistimen 41 etupinnalla osunut fotonia vai ei, ja 20 tietokoneen muistiin talletetaan vain 1 tai 0.

Kuvioissa 5 ja 6 on esitetty yksittäisten fotonien 18 aikaansaama kuvakenttä 19. Yksittäisfotonilaskennessa kuvavah-vistinta käytetään yleensä niin, että vahvistuksen annetaan saturoitua eli kyllästyä, jolloin kaikki fotonipulssit ovat 25 lähes saman korkuisia. Tällaisesta kuvasta voidaan fotonien määrä ja paikka luotettavasti analysoida tunnetuilla kuva-analyysityökaluilla. Tällaisen paikkaherkän yksittäisfo-tonilaskentamenetelmän eli yksittäisfotonikuvaamisen (engl. Single Photon Imaging) haittapuolena on kuitenkin se, että 30 automaattinen laskenta vaikeutuu tai ei toimi, jos alkuperäisiä fotoneja on liikaa, jolloin ne tietyllä todennäköisyydellä osuvat päällekkäin.

Kuviossa 7 on esitetty multifotonimittaus eli signaalin synty, kun valopulssi koostuu monesta yhtäaikaisesta fo-35 tonista. Ilmaisimeen 40 kuuluu kuvavahvistin 41, jossa 96057 18 näytelevyltä 13 tuleva valopulssi etenee kuituoptisen etulasin 45 kautta mikrokanavalevyyn 47 ja siitä edelleen loiste-ainekerrokseen 48. Kuituoptisen kartion 42 kautta valo etenee kuituoptisen etulasin 43 läpi puolijohdekuva-anturil-5 le 44.

Multifotonipulsseja syntyy tyypillisesti tuikeaineissa radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Hajotessaan esimerkiksi hyvin paljon merkiaineena käytetty radioaktiivinen hiili tuottaa yhtäaikaa keskimäärin yli sata fotonia, jotka 10 syntyvät paikallisesti muutaman mikrometrin sisällä.

Levymäisessä näytteessä käytetään tuikeaineena usein sulatettavaa tuikeainetta "Meltilexiä", joka on Wallac Oy:n tavaramerkki, ja joka soveltuu erittäin hyvin myös näihin mittauksiin. Syntyneet noin sata fotonia lähtevät beta-15 hiukkasen kulkureitiltä satunnaisesti eri suuntiin.

Koska Meltilex-tuikeaine on läpikuultavaa (engl. translucent) ei yksittäisten fotonien kulkureitti ole suoraviivainen vaan murtoviiva. Tästä syystä fotonit tulevat ulos tuikelevystä alalta, jonka säde on samaa luokkaa kuin beta-20 hiukkasen etäisyys oli tuikelevyn pinnasta. Tästä syystä kuvaussovellutuksissa pitää käyttää niin ohutta tuike-ainekerrosta kuin mahdollista.

Myös läpinäkyvät (engl. transparent) tuikeaineet toimivat kuvaussovellutuksissa, mutta resoluutio on huonompi. Radio-25 aktivisen hiilen hajoamisessa syntyneistä noin sadasta fotonista vajaa puolet saadaan kuituoptisen ikkunan johde-kanavia pitkin paikkaherkän ilmaisimen fotokatodille, jolloin niistä syntyy keskimäärin vähän alle 10 fotoelektronia, jotka vahvistuvat edelläkuvatulla tavalla kuvavahvistimessa 30 samoin kuin yksittäiset elektronitkin.

Koska mikrokanavalevyn kanavat ovat yleensä pieniä, esim.

6-12 Mm, niin samasta hajoamisesta peräisin olevat fotoelektronit käyttävät eri kanavia eikä kanavissa tapahdu 96067 19 paljon saturaatiota. Kuitenkin kuvavahvistimen ulostulossa sanasta radioaktiivisesta hajoamisesta syntyneiden yksittäisten fotonien kuvat sekoittuvat ja menevät päällekkäin.

Jos ei käytetä koinsidenssiputkea, tukilevy voi olla hyvin 5 heijastava, joko peilimäinen tai sirottava eli diffuusi.

Näin saadaan suurempi pulssinkorkeus tai voidaan käyttää kuvavahvistimessa pienempää vahvistusta.

Kuvioissa 8 ja 9 on esitetty mult if otonitapah tumien kuva-kenttä 24, joka eroaa yksittäisfotonien kuvakentästä 19 10 kuvioissa 5 ja 6 siinä, että piikit 25 ovat selvästi korkeampia. Myös korkeuksien jakaantuma on leveämpi, koska myös alkuperäisten multifotonitapahtumien fotonimäärien jakautuma oli suuri. Fotonien lukumäärän jakautuma on peräisin beta-elektronien energian jakautumasta.

15 Myös kuvioista 8 ja 9 voidaan normaaleilla kuva-analyysimenetelmillä helposti määrittää jokaisen multifotonita-pahtuman 25 paikka ja yhteen hajoamiseen liityvien fotonien tuottama kokonaisintensiteetti kuvakentässä 24. Niistä voidaan edelleen tehdä vastaavanlainen pulsinkorkeusspektri, 20 jota voidaan käyttää energiaerotteluun ja edelleen eri isotooppien paikkakohtaiseeen erottamiseen. Jos esimerkiksi näytteessä on sekaisin C-14-leimattuja ja P-32-leimattuja molekyyleja, voidaan pulssinkorkeuksien perusteella tehdä näytteestä kaksi kuvaa, joista toinen edustaa C-14-leimattu-25 jen molekyylien sijoittumista näytteessä ja toinen P-32- leimattujen molekyylien sijoittumista näytteessä. Matalammat pulssit 26 kuvaavat kohinapulsseja.

Kuviossa 10 on esitetty kaavioilisesti sivukuvana sinänsä tunnettu linssikytketty integroiva kuvailmaisin eli ICCD 50.

: 30 Linssikytketty CCD-detektori (engl. Charge Coupled Device) mahdollistaa jäähdytetyn CCD:n käytön. Laitteessa 50 on kuituoptisen kartion sijasta kuva vahvistin 41 ja kuva-anturi 44 kytketty toisiinsa linssioptiikalla 51, jolloin kuvavahvistimen ulostuloikkuna 49 voi olla tavallista lasia.

35 Linssioptiikkaa 51 käytettäessä valoa menetetään selvästi 96067 20 enemmän kun kuituoptiikan kanssa. Mekaaninen järjestely vie enemmän tilaa, mutta linssioptiikan 51 kanssa voidaan käyttää vakuumieristettyä jäähdytettyä kameraa 52. Tällainen kamera 52 taas mahdollistaa kuvakentän pidemmän integroin-5 t ia jän ja myös kuva-alkioiden hitaamman lukemisen, joka taas vaikuttaa analogia-digitaali-muunnoksessa syntyvään kohinaan.

Kuviossa 10 esitettyyn kuvahvistimeen 41 kuuluu tavallinen, ei-kuituoptinen ulostuloikkuna 49, objektiivilinssi 51, 10 johon pyritään valitsemaan hyvin valovoimainen linssisystee-mi, ja jäähdytetty kamera 52, jonka tärkeimmät osat ovat vakuumi-ikkuna 53, kuva-anturi 44, jäähdytyselementti 54 ja tiivis kotelo 55. Eroavaisuutena tunnettuun käyttötapaan on se, että kuvavahvistimen 41 kuituoptinen etulasi 45 on 15 näytelevyn 13 kanssa.

Kuviossa 11 on esitetty kaavioilisesti sivukuva kahden detektorin mittapäästä 60, jossa ylempi detektori 40 on integroiva pulssilaskentakuvailmasin ICCD 44 ja alempi detektori 30 on tavallinen valomonistinputki, jota tässä 20 kutsutaan koinsidenssiputkeksi, koska detektorit 40 ja 30 ovat koinsidenssikytkennässä. Valomonistinputkeen 30 on liitetty heijastin 32 niin, että se kerää fotonit samasta alueesta kuin ylempi detektori 40.

Molemmat detektorit 40 ja 30 on kytketty toisiinsa ajoitus-25 pulssi johtimien 62 ja 63 ja kondensaattorien Cl ja C2 sekä koinsidenssipiirin 61 avulla. Koinsidenssipiiri 61 voi myös sisältää pulssinmuokkainpiirejä ja loogisia portteja. Kuvion 11 mittausjärjestelyssä tukilevyn 11 täytyy olla läpinäkyvä ja mahdollisimman ohut, jotta alempi detektori 30 havaitsisi 30 mahdollisimman vähän valoa mittausalueen ulkopuolelta.

Todellinen koinsidenssilaskenta voidaan integroivan kuvailmaisunen kanssa toteuttaa esimerkiksi seuraavasti. Kuvaa integroidaan, kunnes koinsidenssipiirin ulostulo ilmoittaa, että kuvailmaisin yksin tai molemmat ilmaisimet yhtäaikaa 21 96Q57 ovat havainneet pulssin. Integrointi lopetetaan ohjaamalla kuvavahvistimen vahvistus pois päältä, kuva luetaan ja tarvittaessa analysoidaan. Jos pulssi on havaittu vain kuvailmaisunella, se on kohinapulssi, jota ei etsitä eikä 5 tallenneta, mutta kuvailmaisimen lukeminen tyhjentää sen valmiiksi seuraavaa mittausta varten. Jos molemmat putket ovat havainneet pulssin yhtäaikaa tai hyvin lyhyen ns. koinsidenssiajan puitteissa, niin se on suurella todennäköisyydellä aito näytepulssi, jonka paikka ja pulssinkorkeus 10 etsitään kuvakentästä.

Toinen menetelmä kohinapulssien poistoon on käyttää kuvalle niin lyhyttä intergrointiaikaa, ettei siihen todenäköisesti osu kuin enintään yksi näyte- tai kohinapulssi. Tällöin ei tarvita erillistä koinsidenssielektroniikkaa ollenkaan. Jos 15 kuvailmaisimessa on vain yksi pulssi ja myös koinsidenssi-putki on havainnut vain yhden pulssin, niin se on tietyllä todennäköisyydellä näytepulssi. Jos detektorit ovat havainneet eri määrän pulsseja kuvakenttä pitää hylätä.

Kolmas menetelmä, joka ei ole varsinaista koinsidensitek-20 niikka, on hyödyntää toista detektoria pitkillä integroi-misajoilla vain vertailevana ja varmistavana ilmaisimena.

Kuvavahvistimen käyttöä voidaan myös hyödyntää kytkimenä niin, että kytketään vahvistin pois päältä siksi aikaa, kun kuvaa luetaan. Tällöin lukemisen aikana ei kuvaan pääse 25 pulsseja, jotka olisivat väärässä paikassa.

Kuviossa 12 on esitetty kaaviollisesti multifotonitapahtuma mittauslaitteistossa, johon kuuluu RANICON-tyyppinen kuvailmaisin 70 (engl. Resistive Anode Image Converter) ja valo-monistinputki 30 koinsidenssikykennässä. Ran icon-ilma is imen 30 70 kuvavahvistimeen 41 kuuluu kuituoptinen etulasi 45, kaksi ns. chevron-kytkennässä olevaa mikrokanavalevyä 47a ja 47b, resistiivinen anodi 71, summausvahvistin 72, josta tieto johdetaan analysaattorille, jota ei ole esitetty kuviossa.

96057 22

Valomonistinputki 30 on kytketty kuvavahvistimeen 41 ajoi-tuspulssijohtimien 62 ja 63 ja kondensaattorien Cl ja C2 sekä koinsidenssipiirin 61 avulla, ja sen tiedot johdetaan vahvistimen 73 kautta analysaattorille, jota ei ole esitetty 5 kuviossa.

Näytelevyssä tapahtuva radioaktiivinen hajoaminen synnyttää tuikeaineessa kymmeniä tai satoja samanaikaisia fotoneja, alkuperäisen beta-hiukkasen energiasta riippuen. Fotoneista noin puolet vaeltaa kuvailmaisimelie ja suurin osa lopuista 10 fotoneista koinsidenssiputkelle 30. Koinsidenssiputken anodilta muodostetaan nopea ajoituspulssi koinsidenssipii-rille 61 ja varsinainen signaalipulssi vierään vahvistimen 73 kautta analysaattorielektroniikkaan.

Kuvailmaisimeen joutuneet fotonit ohjautuvat kuituoptisen 15 ikkunan 45 läpi paikkainformaationsa säilyttäen fotokatodil-le 46, jossa keskimäärin esim. joka neljäs fotoni synnyttää fotoelektronin. Fotoelektronit kiihdytetään sähkökentällä mikrokanavalevyvahvistimeen 47, joita tarvitaan ainakin kaksi 47a ja 47b, jotka usein ovat ns. chevron-kytkennässä.

20 Erilliset fotoelektronit osuvat todennäköisesti eri vahvis-tinkanaviin, jolloin kaikki vahvistuvat, kuten yksi fotoelektroni, jolloin anodille 71 tuleva varaus on lineaarisesti verrannollinen alkuperäiseen beta-hiukkasen energiaan.

Tässä tapauksessa, radioaktiiviaia hajoamisia laskettaessa, 25 ilmaisimen 70 vahvistuksen ei tarvitse olla niin suuri kuin yksittäisfotonilaskennassa, koska samanaikasia fotoelektroneja on enemmän. Tällöin kokonaisvarausmäärä tulee riittäväksi pienemmälläkin vahvistuksella. Kokonaisvaraus ajautuu resistiivisellä anodilla 71 eri elektrodeilla Xi,x4,yt,y4 30 niin, että varausmäärien suhteista voidaan tunnetulla tavalla laskea varausjakautuman painopiste. Näin ilmaisin automaattisesti laskee alkuperäisen betahajoamisen paikan vaikka optiset fotonit tuikeaineessa hajaantuvatkin suhteellisen suurelle alalle. Tämä edellyttää kuitenkin, että fotoelekt-35 roneja on syntynyt riittävästi, jotta niiden paikkojen 96067 23 painopiste olisi luotettava. Kokonaisvarausmäärä viedään summausvahvistimen 72 kautta analysaattorille pulssinkorkeu-den analysointia varten.

Koinsidenssikytkentää käytetään kuvion 12 laitteistossa 5 kuten normaalissa nestetuikelaskimessakin eli pulssi hyväksytään vain jos molemmat detektorit havaitsevat sen. Silloin se todennäköisesti on todellinen näytepulssi.

Analysaattorissa voidaan vielä summata molemmilta ilmaisimilta tulevat pulssinkorkeudet yhteen, jolloin pulssin-10 korkeuksissa mahdollisesti näkyvä pintaefekti osittain poistuu. Ilmaisimien pulssinkorkeusanalyysiin on sovellettavissa myös kaikki nestetuikelaskennassa käytetyt analyysimenetelmät .

Kuviossa 13 on esitetty kaaviollisesti sivultapäin nähtynä 15 kuvion 12 laitteiston muunnelma, jossa on kaksi RANICON-tyyppistä kuvailmaisinta koinsidenssikytkennässä. Tällöin molemmilta detektoreilta saadaan pulssin paikkainformaatio.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-tusmuodot voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patentti-20 vaatimusten puitteissa.

Claims (10)

1. 96067
2. 1. Menetelmä biokemiassa käytettyjen kerniluminisenssileimojen tai radioisotooppien tuikeaineessa synnyttämien valo-pulssien lukumäärän laskemiseksi ja voimakkuuden mittaami- 5 seksi tasomaisissa näytteissä (13), tunnettu siitä, että valopulssien lukumäärän ja voimakkuuden lisäksi määritetään kustakin valopulssista myös sen paikka, ja että käytetään kuvailmaisinta (20) siten, että kuvailmaisimen valoherkkä pinta ja näyte (13) tuodaan mahdollisimman lähel-10 le toisiaan.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuvailmaisimen (20) etulasi, . joka voi olla tavallinen lasi tai kuituoptinen lasi (45), tuodaan kiinni näytteen (13) suojakalvoon (14).
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koko näytelevy (13) mitataan osina, jotka yhdistetään yhdeksi kuvaksi esimerkiksi tietokoneen avulla siten, että levymäiset näytteet analysoidaan mosaiikkimaisesti pala palalta.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuvailmaisimen (20) antama mittaustieto pulssien lukumäärän, voimakkuuden ja tuloajan suhteen varmistetaan toisen ilmaisimen (30) avulla siten, että kuvailmaisinta vastapäätä näytteen vastakkaisella 25 puolella käytetään ilmaisinta koinsidenssi-ilmaisuun tai muuten kuvailmaisimen toiminnan virheettömyyden varmistamiseen. : 5. Mittauslaite (10), kuten kemiluminisenssi- tai neste- tuikelaskin tasomaisia näytteitä varten, tunnettu 30 siitä, että siihen kuuluu tukilevy (11) tai vastaava, jonka päällä näyte (13) on mittaustilanteessa, pulssinlaskentalaite, jonka ilmaisin (20) on paikka- Il ; lÖ f UH Hiin : ' ! 96057 herkkä ilmaisin (engl. position sensitive detector), ja laitteisto näytteen ja ilmaisimen tuomiseksi mahdollisimman lähelle toisiaan. %
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen mittauslaite, 5 tunnettu siitä, että mittauslaitteeseen (10) kuuluu liikuttelumekanismi, jonka avulla tukilevy (11) on liikutettavissa vaakatasossa ilmaisimen (20) suhteen, ja toinen mekanismi, jonka avulla ilmaisin on liikutettavissa pystysuunnassa kiinni näyttelevyyn mittauksen ajaksi ja nostet- 10 tavissa siitä irti näytelevyn siirtoa varten.
7. 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaitteeseen (10) kuuluu ensimmäistä paikkaherkkää ilmaisinta (20) vastapäätä näytteen vastakkaiselle puolelle sijoitettu toinen ilmaisin 15 (30) , joka on tavallinen valomonistinputki tai paikkaherkkä ilmaisin, ja joka toinen ilmaisin on koinsidenssikytkennässä ensimmäisen ilmaisimen kanssa ensimmäisen ilmaisimen toiminnan virheettömyyden varmistamiseksi.
8. 8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen mittauslaite, 20 tunnettu siitä, että molemmat näytteen (13) vastakkaisille puolille sijoitetut ilmaisimet (20, 30) ovat paik-kaherkkiä kuvailmasimia, jolloin niiden kuvia vertailemalla saadaan ilmaisimissa syntyvät kohinapulssit (26) erotetuksi todellisista näytepulsseista (25).
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksista 5-8 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaitteeseen (10) kuuluu kaksi vastakkain sijaitsevaa RANICON-tyyppistä (engl. Resistive Anode Image Converter) kuvailmaisinta (70), jotka on : kytketty koinsidenssiin.
10. 10. Jonkin patenttivaatimuksista 5-9 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaitteen (10) näytteeseen kiinii tuleva ilmaisimen (40) etulasi (45) on kuituoptinen . 96057