JP3255647B2 - 光電子増倍管用較正システム - Google Patents

光電子増倍管用較正システム

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JP3255647B2 JP51351499A JP51351499A JP3255647B2 JP 3255647 B2 JP3255647 B2 JP 3255647B2 JP 51351499 A JP51351499 A JP 51351499A JP 51351499 A JP51351499 A JP 51351499A JP 3255647 B2 JP3255647 B2 JP 3255647B2
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Description

【発明の詳細な説明】 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、Middlesex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CollomatedHoles,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（Nich
ia 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 Corpo
ration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 Companyから入手可能な部品番号55.3
000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30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3
0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に使用さるる所定のマーカ
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12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、Iocos
ｑによって規定される。ここでIo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。
光学システム20の場合、Ｉ＝45度であり、I'27.7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12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、17、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3.98
3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）2
5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RAおよびRB（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〜＋454mV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。
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、
ブレーム周波数、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、DAC25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 (56)参考文献 特開 平２−240588（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−153128（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−157661（ＪＰ，Ｕ) 独国特許発明4422580（ＤＥ，Ｃ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 1/00 - 1/04 G01J 1/42

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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（ｄ）とを備えており、前記検査信号
    源（ｄ）は、光信号収集装置および案内装置（ｂ）に光
    学的に接続され、該検査信号源（ｄ）によって発生され
    た検査信号が前記検査信号入射位置に集束されないよう
    に該検査信号を散乱させることにより、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、光学システム。
  2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項４】検査信号源（ｄ）によって発生される検査
    信号は、検出器（ａ）によって検査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. 【請求項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. 【請求項６】検査信号源（ｄ）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. 【請求項７】検査信号源（ｄ）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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。
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