JP2000513823A - 光電子増倍管用較正システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学システムを提供する。一実施形態において、光学システムは光信号を検出する検出器を備える。光信号収集装置および案内装置は検出器と光学的に接続され、光信号を収集し、光信号を検出器に案内する。光信号収集装置および案内装置は、光信号収集装置および案内装置の外表面に沿って配置される検査信号入射位置を有する。検査信号源は、検査信号源によって発生された検査信号が、光信号収集装置および案内装置の外表面上の検査信号入射位置をランダムに照らすように、光信号収集装置および案内装置に光学的に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】 光電子増倍管用較正システム 背景 以下は光学システムとその操作方法に関する。 今日、医学分析器等の多くの機械が、信号を調べるか読み取ることによって、 動作するかまたはその機能を果たす。この信号は、対象となる項目に添付された 特定のマーカーまたはラベルによって発生される光信号である場合もある。この 光信号を読み取るために、これらの機械は、光信号を収集し、収集された光信号 を、収集され案内された光信号に応答して電気信号を生成する素子のような読取 り器へ案内する光学システムを使用することもある。 そのような機械が目的通りに動作するためには、光学システムを時々検査また は較正することが望ましい。当該機械のタイプによっては、この検査はかなり困 難であることもある。さらに、光学システムを検査するために使用される方法ま たは装置が、常に正確に光学システムを検査できるとは限らない。従っ て、改良された光学システムを提供することが望ましい。 要約 光学システムを提供する。一実施形態において、光学システムは光信号を検出 する検出器を備える。光信号収集装置および案内装置は、検出器と光学的に接続 され、光信号を収集し、光信号を検出器に案内する。光信号収集装置および案内 装置は、光信号収集装置および案内装置の外表面に沿って配置される検査信号入 射位置を有する。検査信号源は、検査信号源によって発生された検査信号が、光 信号収集装置および案内装置の外表面上の検査信号入射位置をランダムに照らす ように、光信号収集装置および案内装置に光学的に接続される。 図面の簡単な説明 第１図はここで説明する光学システムの破断図である。 第２図はアクリジニウムのスペクトル分布である。 第３図は第１図の光学システムの素子の像のパターンを表す図である。 第４図は第１図の光学システムの一部の概略図である。 第５図は第１図の光学システムを含むフィードバックループ一巡の周波数応答 の極図表である。 第６図および第７図はボード線図を用いて伝達関数の大きさと位相応答をそれ ぞれ示す。 第８図はステップ入力に対する第１図の光学システムの過渡的応答を表す。 図示された実施形態の詳細な説明 光学システム２０の一実施形態が第１図に図示される。理解を明快にするため に、光学システム２０を特定の利用法または使用法について論じる。例えば、光 学システム２０は、１９９６年９月１９日に出願された同時係属の米国特許出願 第０８／７１５，９２４、０８／７１５，７８０および０８／８１６，１２１に 開示される構造を使用できる。これらの出願は本件の譲受人に譲渡され、その開 示は参照してここに組み込まれる。しかしながら、光学システム２０は、適切な 変更を行って、添付の請求の範囲から逸脱することなく他の使用法でも使用する こともできる。 この議論のために、光学システム２０は、例えばコンジュゲート分子に付けら れたルモファ（ｌｕｍｏｐｈｒｅ）分子のようなラベルから放射された光を定量 的に検出する。コンジュゲート分子はそしてまた、試料中の特定の対象となる項 目または 検体分子と反応するように構成されている。光信号のルミネセンスや発生は、活 性化剤（「トリガー」と呼ばれることもある）を加えることと、その結果起こる 、反応容器等の容器中に存在するルモファが付加された分子との化学反応とによ って達成される。そのような反応の間に生成されたルミネセンス光または光信号 は、試料中の項目となる要素の分析または決定のタイプによって、試料中に存在 する検体の量に直接的または間接的に比例し得る。 光信号の検出は、化学的なルミネセンスを測定するための光子計数モジュール を用いることによってなされる。光子計数モジュールは、一実施形態において、 光子計数モードで操作される端窓光電子増倍管等のような検出器と、青色発光ダ イオード等のような光学性能検査信号源とを備えていてもよい。光電子増倍管は 、溶融石英ライトパイプ等のような光信号収集装置および案内装置によって、読 み取り室内の反応容器に光学的に接続される。特定の使用法において、一旦反応 容器が読み取り室に入ると、反応容器のまわりでシャッターが閉まり、周囲光や 環境光を遮断する。磁石が懸濁液から磁性粉を取り除き、トリガー試薬が加えら れて、ルミネセンスの反応または光信号の生 成が開始される。 光学システムの性能は、一連の基準ラベルの希釈物、例えば、アクリジニウム アミドを用いて判断することができる。比較光ユニットが、暗計数減算後に、約 数１００万から約２０００万未満までのほぼ範囲内にある光子計数モジュールの ダイナミックレンジにわたって測定される。下位光子計数モジュール感度と上位 直線性は、光学システムの所定の母集団に対して計量され、低レベルの検体検出 と広い較正ダイナミックレンジを必要とする免疫学的検定のための同様のパラメ ーターと比較される。 各光子計数モジュールは、利得と直線性の変化を修正するために基準に対して 較正される。ラベル、すなわちアクリジニウム等のスペクトル分布と厳密に一致 する光子基準を使用して多数のデータ点が取られる。これらのデータ点は、基準 に対して応答を正規化し、必要な直線性修正パラメーターを決定するのに使用で きる。 第１図は光学システム２０の実施形態の具体例としての構造を示す。この実施 形態において、光学システム２０の構成要素は、ハウジング１内に配置されてお り、ハウジング１は射出成形された重合体などから作られていてもよい。ハウジ ング１は その外周にラビリンスシール２を組み込んでいる。シール２は、ハウジング１の 内部におけるほぼ遮光の状態を保っている。 ハウジング１は、またラビリンスシール４に囲まれている内側室３を含む。内 側室３は、第１図に破線で示す光を、青色発光ダイオードなどである較正信号源 すなわち検査信号源５から案内する要素を収容する。検査信号源５は、プリント 回路基板６上に取り付けられ、光学システム２０を組み立てやすくするようにし てもよい。 光子計数モジュール７は、光電子増倍管と、光電子増倍管ソケットと、分圧器 回路と、高圧電源と、高利得交流増幅器と、弁別器と、基準電圧と、パルス整形 器と、プリスケーラとを備えるが、これらは明快さのために第１図には示されて いない。プリスケーラの出力は、光子パルスの数を数えるのに使用される高速デ ジタルカウンターに接続される。検査源５からの光のような光や反応容器中の試 料からの光信号放射等は、光収集装置および案内装置すなわちライトパイプ８に よって、収集され光電子増倍管へ案内される。ライトパイプ８は、シール１０お よび１１を含むエンドキャップ９によって所望の向きに維持されている。シール １０および１１は、液体や他の汚染物質がハ ウジング１に入る可能性を少なくしている。 具体例としての実施形態において、光子計数モジュール７は、イギリス、Ｍｉ ｄｄｌｅｓｅｘのＴＨＯＲＮ ＥＭＩ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｂｅｓ Ｌｔｄ ．から入手可能な部品番号Ｐ３０ＣＷＡＤ５−０７であってもよい。ライトパイ プ８は、カリフォルニア州、ＣａｍｐｂｅｌｌのＣｏｌｌｏｍａｔｅｄ Ｈｏｌ ｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。検査源５は日本、徳島県の日亜化学工業株 式会社（Ｎｉｃｈｉａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，ＬＴＤ．） の部品番号ＮＬＰＢ３００Ａであってもよい。 検査源５の強さは、プリント回路基板１３上に配置されるシリコンフォトダイ オード１２とアナログ電子回路を用いて調節される。特定の実施形態において、 フォトダイオード１２は、アリゾナ州、ＴｕｃｓｏｎのＢｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な部品番号ＯＰＴ３０１Ｍであってもよい 。 導体１４は、検査源５に電力を供給し、検査源５用の閉ループ制御装置を形成 すべく、アナログ電子回路基板１３から検査源５の操作基板６へ引き回される。 検査源５の光出力は、拡散 器１５を用いて散乱され完全拡散源を形成する。特定の実施形態において、拡散 器１５を構成する材料は、粒度５００のすりガラス等であってもよい。他の材料 としては、乳白ガラスなども使用できる。特定の実施形態において、拡散器１５ は、カリフォルニア州、ＣｏｖｉｎａのＲｏｌｙｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｐａ ｎｙから入手可能な部品番号５５．３０００であってもよい。 拡散器１５によって得られる散乱は、検査源５の像とシリコンフォトダイオー ド１２の間の位置に対する光学システム２０の感度を低減させる。この散乱は、 検査源５の信号の入射位置３０において、ライトパイプ８の表面を横切る任意の 照射のシステムを形成し、したがって、光学システム２０が製造上のばらつきを 許容できるようにしている。検査源５の信号はライトパイプ８に集束されるので はなく、むしろ、検査源５の信号は、入射位置３０におけるライトパイプ８の外 表面領域部分をランダムに照らす。 拡散器１５から出る光は、第１のガラス板１６を通った後、シリコンフォトダ イオード１２を照らす。この第１のガラス板１６は、ビームスプリッターとして 動作し、検査源５とフォト ダイオード１２とに交わる線に対して約４５度の角度ずらして配置される。シリ コンフォトダイオード１２に当たる光は、調節可能な基準電圧に比例する光電流 を、アナログ電子回路基板１３上に作り出す。 第１のガラス板１６に当たる光の一部は、第２のガラス板１７に向かって反射 され、第２のガラス板１７もまた約４５度の角度だけずらして配置されている。 第２のガラス板１７は、第２のガラス板１７に当たる光の一部を、約４５度の角 度だけずらして配置されている第３のガラス板１８に向けて反射する。第３のガ ラス板１８に当たった後、第３のガラス板１８の表面から反射されたその光は、 入射位置３０におけるライトパイプ８の側面に光学的に結合される。入射位置３ ０においてライトパイプ８に対する照射の面積は、具体例としての実施形態にお いて、約０．００１２平方センチメートル（約０．０７６平方インチ）である。 入射位置３０は、検査源の５信号が、ほぼライトパイプ８の半径に沿って、すな わちライトパイプ８の側面でライトパイプ８に入るように、ライトパイプ８の円 周の一部に沿って配置されている。検査源５の信号は、ほぼライトパイプ８の軸 に沿って、すなわちライトパイプ８の端においてライ トパイプに入るのではないことに注目されたい。 ライトパイプ８の側面に当たる光は、光子計数モジュール７の性能を検査する ために、光電子増倍管内に光学的に結合、すなわち、収集され案内される。シャ ッター機構１９は、ライトパイプ８の設置、取り外し、掃除等の間、光電子増倍 管の光電陰極が直接周囲光に曝されないように保護するために設けられてもよい 。 特定の実施形態においては、窒化ガリウムの青色発光ダイオードが、検査源５ として選択されたが、それは、その出力が第２図に示すアクリジニウムのスペク トル分布と厳密に、または実質的に一致するからである。検査源５の出力を光学 システム２０に使用される所定のマーカーのスペクトル分布と実質的に一致させ ることによって、様々な光電子増倍管の異なるスペクトル感度に起因する光学シ ステム２０の正規化におけるエラーが生じる可能性が低減される。より一般的に 言えば、検査源５は、検査源５によって発生される検査信号が、関連する態様に おいて、光学システム２０を構成する検出器（光電子増倍管）によって検出され るべき光信号とほぼ一致するように選択される。 検査源５の像は、第３図に示す像にほぼ類似したパターンを有する。そのパタ ーンは、強度の異なる輪２１および２２と検査源５の像の中心２３とを有する。 このパターンは、例えば検査源５の構成、検査源５の配置、フォトダイオード１ ２の配置、およびガラス板１６（ビームスプリッター）の公差等の違いによって 、シリコンフォトダイオード１２の表面を横切って移動するかもしれない。これ らの違いが、フォトダイオード１２の応答に影響し得る。フォトダイオード１２ の応答の違いが、今度は、１つの光学システム２０と別の光学システムとの応答 の違いの重要な制御をもたらし得る。 そのような違いの影響を低減するために、拡散器１５は検査源５の前に配置さ れている。拡散器１５に当たる光は、全ての方向に拡散され、それによってどの 角度から見てもほぼ同じ明るさを有するように見える。完全拡散器、すなわち完 全拡散源は、どの角度においても明るさを有しており、その単位面積当たりの照 射は、Ｉ_oｃｏｓ ｑによって規定される。ここでＩ_oは表面に垂直な方向の領域 の要素の強さであり、ｑは表面の法線に対する角度である。拡散器１５の部分的 拡散特性は、効果的な光の完全拡散源を提供するのに十分である。 拡散器１５を出た光は、約４５度の角度だけずらして配置されてビームスプリ ッターとして動作する第１のガラス板１６に当たり、それによって入射光線を１ つの光線から２つの光線に分ける。光の一部は第１のガラス板１６を通って伝達 され、一部は反射される。第１のガラス板１６の表面から反射された一部の光は 、以下のフレネル反射式によって与えられる。 ここで、ＩとＩ’は入射角と反射角である。 ７度である。上記の式を用いることで、約５．３％の反射値が得られる。従って 、フォトダイオード１２に伝達されるエネルギー量は、式Ｔ＝１−Ｒによって与 えられ、すなわち９４．７％である。エネルギーの大部分をフォトダイオード１ ２に伝達させることは、３つの主な目的に役立っている。 １．フォトダイオード１２のＳ／Ｎ比が重要でなくなるように、十分なエネル ギーがフォトダイオード１２へ送られるようにする。 ２．トランスインピーダンス増幅器の利得が適度な値になるようにする。 ３．光を光子計数モジュール７が許容できるレベルにまで減衰する方法を提供 する。 複数のガラス板、この実施形態では３枚のガラス板が、光線を検査源５からラ イトパイプ８へ向ける手段を提供している。しかし、複数のガラス板１６、１７ 、および１８は、検査源５によって放射された光を光子計数モジュール７が許容 できるレベルにまで減衰させる。対象となる波長において、各ガラス板１６、１ ７、および１８は、光学濃度（Ｏ．Ｄ．）が以下の式によって与えられるとき、 ほぼ均一なスペクトル透過（中性の濃度）を有するものとして扱うことができる ： ここで、Ｔは反射されたエネルギーの量である。 特定の実施形態において、各ガラス板１６、１７、および１８は、従って約１ ．２７６のＯ．Ｄ．値を有する。拡散器１５は、その総透過率が約７０％であり 、これは約０．１５５のＯ． Ｄ．値に相当する。光学システム２０の効果的な総濃度は、個々の濃度の合計と して概算される。従って、光学システム２０のＯ．Ｄ．は、検査源５からライト パイプ８までで約３．９８３である。これは、検査源５からの光の約０．０１％ だけが、入射位置３０においてライトパイプ８の側面に当たることを意味してい る。 ライトパイプ８の側面に当たる光は、スキューレイとして扱うことができる。 これらのスキューレイは各反射によって回転し、その回転の量は入射位置と角度 による。光の一部は、最後には光電子増倍管に最も近いライトパイプ８の端から 出る。 検査源５を制御するのに用いられる電子回路が第４図に示される。アナログ電 子回路基板１３に入力される電力と制御信号は、プリント回路基板１３上の参照 符号２４で示されるコネクターＪ１を通って入る。回路は、電源のために、直流 ＋１２Ｖ、直流−１２Ｖ、および接地を必要とし、該電源は、１６ビットのデジ タル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２５と以下の付加的な線路を必要とするシリア ルデータインターフェイスを有する。該付加的な線路は、クリア、直列データク ロックおよび直列データ入力信号である。ＤＡＣ２５の出力は、検査源５の強さ を 制御するための基準電圧として使用され、出力範囲直流−５Ｖ〜直流＋５Ｖの間 で、二極モードで操作される。二極モードは、回路内の様々な構成要素のオフセ ット電圧および電流のために、検査源５を完全に切る方法を提供するために選択 された。この方法によって、例えばポテンショメータを用いて回路を手動で調整 する必要が少なくなる。 具体例としての実施形態において、シリコンフォトダイオード１２は、単一の チップ２６上にフォトダイオードとトランスインピーダンス増幅器を含む光電子 装置である。フォトダイオード１２の電流は、波長に依存しており、アンペア／ ワット（Ａ／Ｗ）で応答性として規定され、フォトダイオード１２に届く放射パ ワー（ワット）に比例する。従って、最終的なフォトダイオード１２の電流は、 検査源５のスペクトル出力とフォトダイオード１２の応答性の間のたたみこみに なる。Ｓ／Ｎ比、信号帯域幅と、特別な基板設計または取り扱い要求の排除との 間の釣合いとして選択される、トランスインピーダンス増幅器は、約３０×１０⁶ の利得を有する。基準電圧のダイナミックレンジは、電源を検査源５の限流抵 抗器２７に接続し、光子計数モジュール７の直線性の上限における計数値が得ら れるように、電 圧を変化させることによって調節できる。 ＤＡＣ２５による基準電圧の分解能、すなわち最小桁のビット（ＬＳＢ）は以 下のようにして計算できる。 検査源５の強さを制御するのに用いられる基準電圧の最終的な分解能は、抵抗 器Ｒ_AおよびＲ_B（第４図）を用いて調節される。 これによって、基準電圧のダイナミックレンジが、ほぼ−４５４ｍＶ〜＋４５ ４ｍＶの範囲内に減少される。トランスインピーダンス増幅器の出力および基準 電圧が、差動直流増幅器２８に印加される。理想的な状態を想定し、Ｒ１／Ｒ８ ＝Ｒ６／Ｒ２であるということに注目すれば、出力電圧は、 まで減少する。 差動直流増幅器２８の出力は、非反転増幅器２９に印加される。再び理想的な 状態を想定して、出力電圧は以下のようになる。 これら２つの式をまとめると、検査源５を駆動する電圧が求められる。 トランスインピーダンス増幅器の電圧は以下の通りである。 ここで、出力スケーリングによって、 従って、トランスインピーダンスの出力は検査源５を駆動する電圧と等しい。 この関係を上の式［７］に挿入し、Ｖ２を求めると、基準電圧と検査源５駆動 電圧との関係がわかる。 ループ利得が高い低周波数において、閉ループの利得は、フィードバックネッ トワークによって決まる。式［１１］は、フィードバックネットワークの利得が 大きいときに、検査源５への駆動電圧が基準電圧に等しいことを示している。式 ［１１］を解くと以下のようになる。 低周波数において、分母のわずかな部分は利得の誤差に近似する。このシステ ムでは、わずかな部分は約１００，１００すなわち１００ｄＢにほぼ等しく、こ れは約０．００１％の利得の誤差に等しい。 表１は、閉ループ系のスパイスポール／ゼロ分析を示す。 表１ スパイスプラスバージョン３．１．６ 回路名：ＯＰＡ６２７−デッキの開始 ＰＺ分析 利得＝０．９００８９ 分析は、全てのゼロ点が最小限の位相伝達関数のために左側面（ＬＨＰ）にあ り、右側面（ＲＨＰ）には極がないことを示している。 第５図は、フィードバックループ一巡の周波数応答の極図表である。この図表 において、線形制御系の安定性を判断するのに、ナイキスト安定規準が使用され た。システムがＲＨＰにおいて極を有さないときには、もし等高線が−１，０点 を囲まなければ、そして囲みさえしなければ、フィードバックシステムは安定し ている。この規準によって、図表は無限の利得マージンを有する安定したシステ ムを表している。 第６図および第７図は、ボード線図を用いて伝達関数の大きさと位相応答をそ れぞれ示す。大きさの図表は、ブレーク周波数、すなわち３ｄＢの周波数が約２ ．５ＫＨｚであることを示す。 たとえ光学システム２０が安定しているとしても、過渡的応答が許容できるも のであるかどうかをも決定することが望ましい。第８図は、ステップ入力に対す る光学システム２０の過渡的応答を表す。過渡的応答は、光学システム２０が最 小のオーバーシュートで約４４ミリ秒以内に約０．１％以内に整定する ことを示す。 一例において、光子計数モジュール７の較正中に、検査源５は、ＤＡＣ２５を 用いて、光電子増倍管の直線の範囲内で、様々な強さのレベルに調節される。検 査源５のスイッチを入れる前に、バックグラウンドの測定が行われる。光電子増 倍管の出力パルスは各強さのレベルにおいて、約０．１秒の間隔を用いて、約３ 秒間にわたって積分される。比較光ユニット／ＤＡＣの傾きを決定するために、 それが基準に正規化され、バックグラウンドが補正された後に、データについて 線形回帰が行われる。この傾きの値は次に、光学システム２０に記憶される。 光学システム２０や他の診断方法を用いて器材を初期化する間、例えば、ＤＡ Ｃ２５は較正の間に規定された同じ値を用いてインクリメントされる。傾きを決 定するために、それが正規化され、バックグラウンドが補正された後に、データ について再び線形回帰が行われる。傾きが所定の傾きから所定の割合だけ変化し たときには、メンテナンスまたは修理をすることが望ましい。 理解を助けるために光学システム２０の特定の実施形態について説明したが、 光学システム２０は任意の使用法の詳細に合 うように変更できることに留意されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガーナー，クリステイーン・エム アメリカ合衆国、テキサス・75087、ロツ ケル、ウインブルドン・ドライブ・6102 (72)発明者 オレクザツク，カール・エム アメリカ合衆国、テキサス・76028、バー レソン、ベント・ツリー・トレイル・208 (72)発明者 ボート，ジエームズ・エイ アメリカ合衆国、テキサス・76201、ベツ ドフオード、キヤンドルウイツク・コー ト・3912 (72)発明者 グレイ，ロバート・シー アメリカ合衆国、イリノイ・60031、ガー ニー、ノース・ストリームウツド・ドライ ブ・36409

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）光信号を検出する検出器と、 （ｂ）外表面と端とを有し、検出器（ａ）と光学的に接続され、光信号を収集 し、光信号を検出器（ａ）に案内する光信号収集装置および案内装置と、 （ｃ）光信号収集装置および案内装置（ｂ）の外表面に沿って配置される検査 信号入射位置と、 （ｄ）検査信号源（ｃ）によって発生された検査信号が、光信号収集装置およ び案内装置（ｂ）の外表面上の検査信号入射位置をランダムに照らすように、光 信号収集装置および案内装置（ｂ）に光学的に接続された検査信号源とを備える 光学システム。 ２．検出器（ａ）は光電子増倍管であることを特徴とする、請求項１に記載の光 学システム。 ３．光信号収集装置および案内装置（ｂ）はライトパイプであることを特徴とす る、請求項１に記載の光学システム。 ４．検査信号源（ｃ）によって発生される検査信号は、検出器（ａ）によって検 出される光信号とほぼ一致することを特徴とする、請求項１に記載の光学システ ム。 ５．検査信号が青色であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。 ６．検査信号源（ｃ）は発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１に記 載の光学システム。 ７．検査信号源（ｃ）は窒化ガリウム青色発光ダイオードであることを特徴とす る、請求項１に記載の光学システム。 ８．検査信号入射位置は約０．０１２平方センチメートル（約０．０７６平方イ ンチ）であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。 ９．（ｅ）検査信号源（ｄ）と光信号収集装置および案内装置（ｂ）との間に光 学的に配置された拡散器をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の光 学システム。 １０．（ｅ）検査信号源（ｄ）に光学的に接続されて検査信号を受信するフォト ダイオードと、 （ｆ）検査信号源（ｄ）とフォトダイオード（ｅ）との間に光学的に配置され て、検査信号の第１の部分が検査信号入射位置に光学的に与えられ、検査信号の 第２の部分がフォトダイオード（ｅ）に光学的に与えられるように検査信号を分 割するビームスプリッターとをさらに備えることを特徴とする、請求項 １に記載の光学システム。 １１．光信号収集装置および案内装置（ｂ）は半径と長い軸を有し、検査信号入 射位置は、検査信号が半径にほぼ沿って光信号収集装置および案内装置（ｂ）に 入るように、光信号収集装置および案内装置（ｂ）に配置されることを特徴とす る、請求項１に記載の光学システム。