JPH03503453A - 免疫試験装置用光学式読取ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 免疫試験装置用光学式読取ヘッド 発明の背景 本発明は、蛍光計に関し、特に、免疫試験装置における２重チャネル紫外線可視 蛍光計用の経済的でしかも高度に効果的な光学装置と、こねに関連する蛍光分光 学的方法とに関する。

蛍光計は、血液その他の生物学的流体の臨床分析に広く用いられるようになって きている。通常は、蛍光計には、流体す：／プル、すなわち蛍光染料または標識 物質を含有するサンプルに第１波長の光エネルギを照射して、そのサンプルから もっと長い波長の蛍光を発射せしめるための光学装置か用いられる。蛍光の発射 強度は、被検査サンプル中のある物質の存在または量を示す。このような生物学 的流体サンプルの吸収および発射する光量は低レベルのものであるので、通常の 蛍光計は、信頼性のある試験結宋を達成するために、高出力紫外光源および光電 子増信管の一方または双方を備えている。

ギセノンアークランプまたはレーザのような高出力紫外光源は、高価であるだけ てなく、過度に発熱し、被検体に不可逆的損傷を与え、雑音を生し、蛍光標識物 質を漂白し、複雑かつ高価な制御装置を必要とする欠点を有する。本技術分野に おいては、経済的なタングステンノ＼ロゲンランブのような比較的低レベルの紫 外線出力を有する広帯域光源を用い、そのランプ出力を紫外線透過帯域フィルタ によってフィルタすることは周知であるが、それによって得られるフィルタされ た放射は、低レベルすぎて、サンプルから発射される蛍光は検出困難となる。

これまで、蛍光検出の困難性は、サンプルが発射する低レベルの蛍光を検出する ための極めて感度の高い光電子増倍管の使用によってのみ対処されてきた。放射 の検出は、光子が教えられるような低レベルにおいても可能であるが、光電子増 倍管は高価な上に破損しやすく、また比較的に複雑な制御回路を必要とする。

以上の説明かられかるように、高レベルの紫外線出力を有する光源および光電子 増倍管を必要とせずに所望の分析をなしうる、改良された光学的蛍光計装置が要 望される。

発明の要約 本発明は、経済的な成分を用いて信頼性のある２重チャネル蛍光分析を行ないう る、蛍光計用光学装置を提供する。

本発明の実施例においては、比較的に低レベルの紫外線出力を有するタングステ ンハロゲン励起光源と、蛍光分析において見られる低レベルのサンプル発射光を 検出するための固体光検出器とを用いた、励起技と発射波とを有する、経済的で しかも高度に効果的な２重チャネル蛍光計か提供される。これらの成分により信 頼性のある結果を得ることができるのは、励起技と発射波とに紫外領域において 約９０％の透過率を有する光学装置を用いてスルーブツトを最大化し、また固体 回路と共に、固体光検出器および増幅器に関連する暗信号を完全に補償するよう に光阻止および光通過領域の双方を有するフィルタ車を用いているからである。

本発明の装置を実際に用いる場合は、血清などの生物学的流体を含むサンプルホ ルダすなわち試験要素が、本光学装置の読取ボートの上方に置かれ、タングステ ンハロゲン光源から生じて励起技の帯域フィルタによりフィルタされた照明がサ ンプルホルダの前面に集束せしめられて、サンプル内の特定の被検成分、または 蛍光染料または標識物質をして、蛍光を発せしめる。発射された蛍光は、発射波 帯域フィルタを通して送られ、光検出器上に集束せしめられる。本光学装置はま た、タングステンハロゲン光源からの照明を受け、光源出力の変動を補償するの に使用される信号を発生するための参照光検出器をも含む。

励起および発射帯域フィルタは、フィルタ車上に、直径の反対側の整合フィルタ 対として担持されている。このフィルタ車は、さらに直径の反対側の！対の不透 明面をも含む。このフィルタ車か１つの位置にあるときは、帯域フィルタの整合 対の励起および発射フィルタは、同時に装置の励起路および発射路に沿って配置 される。フィルタ車がもう１つの位置にあるときは、励起技および発射波の双方 は、成分ドリフトを示す光検出器／増幅器暗信号を得るために、不透明領域によ り同時に阻止される。

主および参照光検出器のそれぞれからの出力信号は、固体回路によって増幅され 、変換され、ディジタル化されて、処理され、被検物質の濃度を示す測定が行な われる。この処理は、４つの相次ぐ光検出器信号、すなわち参照光検出器暗信号 、参照光検出器励起信号、主光検出器発射信号、および主光検出器暗信号に基づ くアルゴリズムを用いて行なわれる。このアルゴリズムによって行なわれる測定 は、使用される被検要素の特定の種類に基いて、マイクロプロセッサにより異な った取扱いを受ける。

従って、本発明は、経済的でしかも信頼性のある多重チャネル蛍光計用光学装置 を提供することを主たる目的とする。本発明のもう１つの目的は、免疫試験装置 に用いるのに特に適しまた、そのような光学装置を提供することである。本発明 のさらにもう１つの目的は、固体光検出器および回路を、そのような光検出器／ 増幅器に固在な雑音および暗信号を補償するようにして使用することである。本 発明の他の諸口的および適用範囲は、添付図面を参照しつつ行なわれる以下の詳 細な説明によって明らかにされる。添付図面においては、同一部品は同一参照符 号によって指示されている。

図面の簡単な説明 本発明の装置の新しい諸特徴は、その構成および動作方法の双方について、また 上記以外の諸口的および諸利点について、ここに詳述され、添付図面を参照しつ つ行なわれる実施例に関する以下の説明によって明らかにされる。添付図面にお いて、 第１図は、本発明の光学装置を示す部分断面図であり、第２図は、本光学装置の フィルタ車を示す縮小底面図であり、 第３図は、本光学装置の放射エネルギー処理の状況を示す概略断面図であり、 第４Ａ図−第４Ｃ図は、整合帯域フィルタの第１対の使用中におけるフィルタ車 の逐次位置を示す縮小平面図であり、 第５Ａ図−第５Ｃ図は、帯域フィルタの第２整合対の使用中におけるフィルタ車 の逐次位置を示す縮小平面図であり、 第６図は、本光学装置の固体回路の概略的プロ・ツク図であり、 第７図は、通常のタングステジノ１０ゲン光源のスペクトル出力を示すグラフで あり、 第８図は、光電子増倍管と、ホトダイオード／増幅器の組合せと、のＳＮ比を比 較したグラフである。

第１図において、全体的に参照番号１０で指示されている本発明の光学装置は、 主要成分として、全体的に参照番号１２て示された光モジュールすなわちヘッド と、固体処理および制御装置１４と、を含む。光モジュール１２は、通常Ｅに置 かれる生物学的サンプルの読取りを行ない、位置Ｅは、図示されていないこの装 置の他成分から遮光されている。

光モジュール１２は、下部ハウジング部１８に対し遮光的に固定連結された上部 ハウジング部１６を含む。フィルタ車２０は、上部ハウジング部１６の対応する 円筒形空洞２２内に回転自在に支持されている。

フィルタ車２０か第１図に示された位置にある時は、光軸Ｘを有する励起光路が 、上部ハウジング部１６の第１長方形孔３０と、フィルタ車２０の第２長方形孔 ２６と、下部ハウジング部１８の第３長方形孔２８と、によって画定される。そ れぞれの孔２４．２６．２８は、実質的に同じ寸法を存し、励起光軸Ｘと同軸を なす。同様にして、光軸Ｍを有する発射光路は、上部ハウジング部１６の第１長 方形孔３０と、フィルタ車２０の第２長方形孔３２と、下部ハウジング部１８の 第３長方形孔３４と、によって形成される。それぞれの長方形孔３０，３２．３ ４は、実質的に同じ寸法を有し、発射光軸Ｍと同軸をなす。

非球面光学レンズ３６，３８，４０．４２はそれぞれ、長方形孔２４．２８，３ ０．３４のそれぞれの内部にこれらの孔の縦軸に垂直に取付けられている。第１ 整合対をなす励起および発射帯域フィルタ４４および４６は、フィルタ車２０の 円筒孔２６および３２内に、それぞれ励起および発射光軸ＸおよびＭに対して垂 直に支持されている。中心部に小さい長方形の穴５０を有する長方形の不透明要 素４８は、長方形孔２８の内部に、励起光軸Ｘに対して垂直に取付けられている 。

下部ハウジング部１８の長方形孔２８の上端部付近には、前部屈折凸面５４と、 後部乎鏡面５６とを有する、反射および集束要素５２か存在する。要素５２は、 励起光軸Ｘに対し４５°の角をなして置かれる。下部ハウジング部１８は、交換 可能なタングステンハロゲン電球および一体的反射器ユニット５８を、放射エネ ルギーを光軸Ｔに沿って、励起光軸Ｘに対し直角をなし、かつ集束および反射要 素５２の後部平表面５６に対し４５°をなして供給するように支持する。

上部ハウジング部１６は、長方形孔３０の近くの、長方形孔２４の反対側に光ト ラップ６０を含む。孔２４および３０および光トラップ６０は、それらの上端部 において相変わり、上部ハウジング部１６の頂部表面に大きい開口すなわち読取 ボート６２を形成する。

フィルタ車２０は、励起路光軸Ｘと発射光軸Ｍとの間の４５°の角Ａ（第３図） を三等分する軸線Ｗの回りに回転しうるように、軸６４上に取付けられている。

軸６４は、上部および下部ハウジング部１６および１８内に通常のように回転自 在に軸受けされ、２方向性ステツパモータ６６によって回転駆動される。

フィルタ車２０はさらに、上部および下部の円筒形フランジ６８（第１図および 第２図）および７０（第１図、第４図、第５図）を有し、これらのフランジはそ れぞれ、上部および下部ハウジング部１６および１８内の対応する円筒形凹部７ ２および７４に収容されている。円筒形のフランジ６８．７０．および凹部７２ ．７４は、励起および発射光路を光学的に分離し、フィルタされない照明がフィ ルタ車２０の周囲に洩れないようにする光バブル構造またはラビリンスを形成す る。

光学装置１０はさらに、主光検出器７６および参照光検出器７８を含み、これら はそれぞれシリコンホトダイオードのような通常の光検出器である。双方の光検 呂器は、ハウジング部１８内に形成された空洞内の、読取ヘッドの発射波端部に 着座した共通回路板７３」二に取付けられている。光検出器７６は、遮光部材７ ５により、発射技から遮光されている。参照光検出器７８は、継手８４によって ハウジング１８に連結された光ファイバ８６を経て励起技の遠隔部から光を受け る。遮光部材７７は、光ファイバ８６からの迷走光が主光検出器７６に入るのを 防止する。

光検出器７６および７８からの出力は、それぞれ線路９０および９２を経て制御 装置１１４へ送られるが、これらの線路は便宜上単一線路９３に組合わされ、板 ７３が着座している空洞上に置かれたカバープレート７９の単一孔９１を貫通す る。このようにして、双方の光検出器は迷走光信号から絶縁され、いくらかでも 同じ環境に置かれる。さらに、カバープレート７９は、好ましくは光検出器に対 する金属性包囲の一部をなし、それらを電磁妨害から絶縁するものとする。

固体制御および処理回路１４（その実施例は第６図に詳細に示されている）は、 光検出器７６および７８の出力をそれぞれ線路９０および９２を経て受ける。固 体回路１４は、線路９６を経てステッパモータ６６へ制御信号を送り、また、光 源５８は線路９４を経て電源９５に接続されている。光学式表示装置またはプリ ンタなどの出力装置９８は、固体回路１４から線路１００を経て供給された濃度 レベルを出力する。

第２図に示されているように、フィルタ車２０（鎖線で表わされている）は、励 起および発射帯域フィルタ４４および４６（第１図）の整合対だけてなく、第２ 整合対の帯域フィルタ＋０２および１０４と、直径の反対側にある１対の不透明 領域または挿入部材１０６および１０８と、をも含む。帯域フィルタ４４，４６ ，１０２゜１０４は実線で示されているか、フィルタ車２０の残余部分は鎖線て 示され、それによってそれぞれの帯域フィルタかフィルタ車の外周から軸６４の 基部に向かって下方へ傾斜していることか明示されている。フィルタ車２０自体 はほぼ円柱状の設計のものであるが、それぞれの帯域フィルタ４４，４６，１０ ２．１０４は、軸線Ｗの回りに、実質的に転倒円錐状経路内を回転する。第１図 および第３図に示されている実施例においては、励起光路と発射光路とは、４５ °前後の鋭角Ａをなして交わる。

それぞれの帯域フィルタにより画定される表面に対応する転倒円錐の頂角は、１ ３５°前後である。従って、それぞれの帯域フィルタの上部および下部の平表面 は、励起および発射光路または技のそれぞれのコリメートされた光に対し垂直な 方向を有する。それぞれの帯域フィルタ４４．４６，１０２，１０４のフィルタ 作用の性質は、フィルタされるべき照明の入射角によって変化するので、フィル タを光路に対して垂直になるようにして、光がコリメートされている光路部分に 置くことにより、中心波長のずれを最小化する。

実施例においては、それぞれの帯域フィルタ４４および４６は、全体が５ｃｈｏ ｔｔの吸収ガラスによって作られており、励起フィルタ４４は３６０ｎｍを中心 とする狭い帯域幅の光を通過せしめ、中間濃度の蒸着コーティングを有する発射 フィルタ４６は４５０ｎｍを中心とする狭い帯域幅の光を通過せしめる。同じ実 施例において、励起および発射帯域フィルタ１０２および１０４は、吸収ガラス と６空洞の蒸着光帯域フィルタとのフィルタバックとして通常のように構成され 、吸収ガラスは主として高域フィルタとして用いられ、また帯域空洞は特定の帯 域通過およびシャープカットオフのために用いられる。励起フィルタ１０２は、 ５４５ｎｍと５５５ｎｍとの間の狭い帯域幅内の光を通過せしめるように、また 発射帯域フィルタ１０４は、約５７５ｎｍから５８５ｎｍまての狭い帯域幅内の 波長を有する光を通過せしめるように、設計されている。好ましくは、直径の反 対側の不透明領域１０６および１０８は、単に、フィルタ車２０のフィルタ４４ ゜１０２および４６，１０４のそれぞれの間の不透明部分により画定される。し かし、不透明面１０６および１０８は、フィルタ車２０の円筒孔内に帯域フィル タとほとんど同様に配置された不透明挿入部材とすることもできる。同じ実施例 において、タングステレノ１０ゲン電球お゛よび反射器ユニット５８は、安価に 市販されている３５ワツトのタングステンハロゲン電球および一体的反射器であ る。一体的反射器は、通常のように働いて、電球のフィラメントから後方へ送ら れた放射の方向を逆転せしめ、電球フィラメントからの直接放射に加わる実質的 にコリメートされたビームを形成し、それによってランプの出力か最も効率的に 利用されるようにすると共に、赤外線を透過させることにより装置から熱を除去 する。第７図に示されているように、このようなタングステレノ１０ゲン電球は 、紫外および可視放射出力の双方を発生する。このランプの出カスベクトルは、 光出力を予測し最適化するために、ブランクの黒体公式を用いて計算されつる。

第３図において、ランプおよび反射器結合体５８からの紫外および可視放射合成 出力Ｏは、反射および屈折要素５２によって折曲げられ、また同時に集束せしめ られて穴５０上に達する。照明された穴５０は、分析のための目標をなし、１対 の非球面レンズ３８および３６により、試験要素すなわちサンプルＥの信号層と 一致する平面上へ写像される。非球面レンズ３８は、穴５０を通過した紫外およ び可視放射を集めてコリメートし、それを帯域フィルタ４４の下部平表面へ垂直 に送る。それによって１．励起帯域フィルタ４４のフィルタ能力は最大化される 。フィルタ４４は、３９０ｎｍまたはそれより大きい波長を存する実質的に全て の放射の通過を阻止し、３６０ｎｍを中心とする狭い帯域幅の放射Ｕを通過せし め、そのピーク透過率は約３７０ｎｍにある。非球面レンズ３６は放射Ｕを集め 、試験要素Ｅの信号層と一致する点Ｐに集束せしめる。集束せしめられた励起放 射Ｐは、鏡様の反射Ｊを生じ、反射光および蛍光Ｈを拡散する。

反射光制御を最適化し、必要な空間を少なくするために、非球面レンズ３６．３ ８，４０．４２は、長方形状に削られ、または切られて、試験要素Ｅに向けられ た励起光か、あまりに小さい傾斜角Ｂをもたないようにされ、最も低く投射され る光線か試験要素の平面に対し約３７°をなし、鏡様に反射された光の最も低い 光線の角Ｃが約３３°をなすようにされる。試験要素Ｅから放出される拡散蛍光 の検出のために、励起光路は試験要素Ｅの平面に対し４５°の方向に向けられ、 発射または検出光路は試験要素の平面に対して垂直に置かれ、光トラップ６０は 鏡様に反射された放射Ｊを捕えて吸収するように配置されている。さらに、ハウ ジング部１６および１８の内部表面、およびフィルタ車２０（帯域フィルタは除 外する）の全表面は、スプリアス光を消去するために陽極処理され、無光沢の黒 色に彩色される。

よび蛍光Ｈを集めてコリメートする。集光レンズ４ｏは、レンズ全体かサンプル 要素表面からの鏡様の反射光Ｊを受けないように切られている。

発射フィルタ４６は、拡散蛍光Ｖは通過せしめるが、集光路内へ入る可能性のあ る拡散的に反射した励起波長および鏡様反射成分Ｊは排除または阻止する。実施 例においては、発射帯域フィルタ４６は全体的に５ｃｈｏｔｔの吸収ガラスて作 られており、このフィルタ４６は４２５ｎｍより小さい全ての波長を阻止し、４ ５０ｎｍを中心とする波長をもった狭い帯域幅の光を通過せしめ、そのピーク透 過率は約４７０ｒ＋ｍにある。励起および発射帯域フィルタ４４および４６は、 励起および発射波長間の適切な分離のための帯域通過および吸収すなわち「阻止 Ｊ特性を有するように選択される。定量的に測定すると、フィルタ４４および４ ６の「阻止」率すなわち入射白色光対透過光の比は１０−”である。

帯域フィルタ４６を透過した拡散蛍光Ｖは、非球面レンズ４２により集光されて 光検出器７６上へ集束せしめられる。スペクトルの紫外領域内にある対象波長に おいて信号を最大化するために、全ての非球面レンズ３６゜３８．４０．４２は 、対象波長において高度の透過性を存する光学プラスチックなとの光学材料で作 られる。例えば、Ｒｏｂｏ＋　ａｎｄ　ｆ（ａａｓのＵＶＴ　１００アクリル樹 脂により形成された市販のレンズは、所望の透過率を存する。

経済上、これらのレンズはそれぞれ同一構造のものとされ、通常設計のものとさ れる。

タングステン電球５８の出力波長または強度の双方の変化を考慮して読みを正規 化するために、励起フィルタ４４の下流位置に光ファイバビックオ）８８を配置 し、フィルタされた励起光の一部を参照光検出器７８へ供給する。従って、参照 検出器７８の出力信号は励起光の特・性に対応し、電球出力の変動を補償するた めの信号処理アルゴリズムに使用される。

第４Ａ図−第４Ｃ図は、第１整合対の帯域フィルタ４４および４６を用いる蛍光 分析測定サイクル中における、フィルタ車２０の３つの逐次位置を示す。第５Ａ 図−第５Ｃ図は、第２整合対の帯域フィルタ１０２および１０４を用いる分析中 における、フィルタ車２０の３つの逐次位置を示す。第４Ａ図−第４Ｃ図および 第５Ａ図−第５Ｃ図のシーケンスの双方における、フィルタ車２０の第１および 第３位置は同じである。換言すれば、いずれの整合対の帯域フィルタが用いられ るかに関係なく、それぞれの測定サイクルの開始時と終了時には、フィルタ車２ ０は同じ位置にある。第４Ａ図、第４Ｃ図、第５Ａ図、第５Ｃ図に示されている ように、フィルタ車２０は、測定サイクルの開始時および終了時には、不透明表 面１０６か励起光路を阻止し、不透明表面１０８が発射光路を阻止する位置にあ る。第４Ｂ図に示された位置をとるためには、フィルタ車２０はステッパモータ ６６により反時計回りに回転せしめられる。第４Ｂ図に示された位置においては 、励起帯域フィルタ４４は励起光路内にあり、発射帯域フィルタ４６は発射光路 内にある（第１図−第３図）。フィルタ車２０は、第４Ｂ図に示された位置から 第４Ｃ図に示された位置へは、フィルタ車を時計回りの方向へ６０°回転させる ようにモータ６６を駆動することによって移動せしめられる。第５Ａ図および第 ５Ｃ図は、第４Ａ図および第４Ｃ図におけると同じ位置にあるフィルタ車２０を 示す。フィルタ車２０は、第５８［ａに示された位置・＼は、ステッパモータ６ ６をしてフィルタ車を時計回りに６０°回転せしめることによって移動せしめら れる。第５Ｂ図に示された位置においては、励起帯域フィルタ１０２か励起光路 内に位置し、発１　射帯域フィルタ１０４か発射光路内に位置する。第４Ａ図− 第４Ｃ図および第５Ａ図−第５Ｃ図のそれぞれにおける矢印０は、集光およびコ リメートレンズ３８から供給されるコリメートされた紫外および可視放射の組合 せを表わす。第４Ｂ図における矢印Ｖは、フィルタ４６を通過して、レンズ４２ により主光検出器７６（第３図）上に集光かつ集束せしめられるへき発射放射を 表わす。

矢印Ｚは、帯域フィルタ１０４を通過して、非球面レンズ４２により主光検出器 ７Ｇ上に集光かつ集束せしめられるべき放射エネルギを表わす。

第６図に示されているように、第１図の固体ｔｌＨＩＬおよび処理回路１４は、 １対の電流−電圧変換器１１０および１１２と、プログラム可能スイッチ１１４ と、プログラム自在利得１１６と、２重傾斜アをログ−ディジタル変換器１１８ と、マイクロプロセッサ１２０と、を含む。

一般に、本発明による蛍光分光過程においては、それぞれの光検出器７６および ７８がらの電流信号Ｓｃ、Ｄｃ（主チャネル信号）およびＦｃ、Ｒｃ　（参照ヂ ャネル信号）はそれぞれ、変換器、例えはトランスインピーダンス増幅器１１０ および１１２を通過することにより、電圧信号Ｓ　ｖ　、　Ｄ　ｖ　、　　Ｆ　 Ｖ　、　Ｒｖに増幅され変換される。

プログラム可能スイッチ１１４は、一時に電圧１１号Ｓｖ。

Ｄｖ、Ｆｖ、Ｒｖの１つを、ＩＸがら１２８Ｘまでの範囲内の２の累乗から選択 されうる増幅率を有するプログラム可能利得増幅器１１６へ供給し、利得出力ｇ Ｆｖ。

ｇＲｖ、ＧＳｖ、ＧＤｖを発生せしめる。それぞれのホトダイオードに対する利 得は、主ホトダイオード７６に対してはＧ、参照ホ＋−？イオード７８に対して はｇであり、これらは別々に選択される。プログラム可能利得１１６からのそれ ぞれの出力ｇ　Ｆ　ｖ、　　ｇ　Ｒｖ、　Ｇ　Ｓ　ｖ。

ＧＤｖは、逐次２重傾斜Ａ／Ｄ変換器１１８へ供給されて、それぞれのディジタ ル信号Ｆ、Ｒ，Ｓ、Ｄに変換される。２重傾斜変換器１１８は、例えば、信号に より７００ｍ５の間充電されるキャパシタを含む。この時間の後、キャパシタは 特定値まで放電せしめられる。この放電に要する時間は、ｆｆｌ確にカウントさ れる。この正確なカウントの値は、アナログ入力信号に対応するディジタル値を 表わす。ディジタル値Ｆ、Ｒ，Ｓ、Ｄは、一時に１つがマイクロプロセッサ１２ ０へ送られ、データ整理を受ける。

さらに詳述すると、再び第４Ａ図−第４Ｃ図において、１対の帯域フィルタ４４ および４６を用いる蛍光測定サイクルは、フィルタ車が第４Ａ図に示された位置 にある時開始される。この位置においては、不透明領域１０６は励起照明の通過 を阻止するので、参照チャネル７８から生じた電流信号Ｆｃは、参照チャネル光 検出器および増幅器の暗信号を表わす。次に、マイクロプロセッサ１２０がステ ッパモータ６６を駆動し、それによってフィルタ車２０は第４Ｂ図に示された位 置をとる。この位置においては、励起および発射帯域フィルタ４４および４６は 、励起および発射光路内にある。従って、参照光検出器７８は、参照チャネルの 励起信号と暗信号との和に相当する電流信号Ｒｃを発生し、主光検出器７６は、 主チャネルの発射信号と暗信号との和を表わす電流信号Ｓｃを発生する。次に、 マイクロプロセッサ１２０かステッパモータ６６を駆動し、それによってフィル タ車２０を第４Ｃ図に示された位置へ回転させる。この位置においては、不透Ｂ Ａ＠域１０８は発射光路に沿っての照明の通過を阻止するので、主光検出器７６ の電流出力Ｄｃは、主チャネルの暗信号に相当する。このサイクルは、帯域フィ ルタ４４および４６に関連するそれぞれの測定点において、４つのホトダイオー ド電流信号Ｆｃ、Ｒｃ。

Ｓｃ、Ｄｃの発生のために繰返されるのであるが、第５Ａ図−第５Ｃ図に示され たフィルタ車位置を用いる同様のサイクルは、帯域フィルタ対１０２および１０ ４を用いるそれぞれの測定点において行なわれる。単一信号が変換されるそれぞ れの測定サイクルの開始は、直前のサイクルの２５０ｍｓ内に行なわれ、それに よって雑音および長期ドリフトの効果が最小化される。

マイクロプロセッサ１２０においては、データ整理により蛍光測定値はＮ＝　（ Ｓ−Ｄ）／　（Ｒ−Ｆ）Ｇとなる。

ただし、Ｓは主チャネル発射信号であり、Ｄは主チャネル暗信号であり、Ｒは参 照すなわちファイバチャネルの励起信号であり、Ｆは参照すなわちファイバチャ ネルの暗信号であり、Ｇは主検出器チャネルの利得である。

本発明の光学装置ＩＯは、多重層（ＭＴＭ）または毛細管（ＣＡＰ）形試験要素 のいずれかを用いて抗原または抗体の濃度を決定するための免疫試験装置内の蛍 光計として用いるのに特に適している。毛細管形試験要素は、励起波長とは約９ ０ｎｍだけ波長の異なる拡散性蛍光信号を発生する。励振放射に応答して、多重 層および毛細管形試験要素のそれぞれは、ランベルト光源のように作用し、ラン ベルトの法則に対する服従性が被測定試験要素の特性による拡散蛍光信号を発生 する。

共役の、蛍光ラベルを付与された抗体、抗原、等が励起されて、存在する被分析 物の濃度と逆関係をなして変化する出力信号を発射する多重層競合形試験要素を 分析する時には、この多重層試験要素は、この試験要素に流体サンプルが加えら れる前に、不透明面１０６および１０８および整合対の帯域フィルタ１０２およ び１０４（第５Ａ図−第５Ｃ図）を用いる最初の蛍光測定サイクルを受け、それ によって乾式蛍光測定が行なわれる。次に、流体サンプルが多重試験要素に対し て加えられ、この湿式試験要素が同じ蛍光測定サイクル（第５Ａ図−第５Ｃ図） を用いて読取られる。湿式測定値を最初の乾式測定値によって除算することによ り正規化された多重層試験要素の測定値が得られ、この測定値を校正曲線に合わ せることによって対応する被分析物の濃度が得られる。

従って、多重層試験要素（ＭＴＭ）を分析する時は、信号による差異は生じない 。流体サンプル自体から生じるバックグラウンド蛍光は、試験要素の前面付近の 蛍光団から発生する主蛍光信号と比較するとわずかなので、このバックグラウン ド蛍光は無視されつる。例えば、血清から発生する、要素読取り波長における蛍 光信号は、極めて低レベルのものであり、試験要素の読取層における血清の体積 は極めて小さいので、血清のバックグラウンド蛍光への寄与は無視されうる。

酵素の量を測定して被験種の濃度を決定する。毛細管形試験要素（ＣＡＰ）の分 析においては、帯域フィルタ４４および４６（第４Ａ図−第４Ｃ図）を用いて行 なわれる蛍光測定に影響を及ぼさないロードミンなどの新しい蛍光団が、試験要 素に加えられる。この新しい蛍光団は、好ましくは試験要素の基質に添加される 。しかし、この新しい蛍光団は、流体サンプルに添加することもできる。蛍光測 定は、所定時間、例えば２　ｌ／２分間遅延せしめられ、周知のように、この時 間の後には蛍光測定値は、固定された直線的割合で変化している。この遅延に続 いて、不透明領域１０６および１０８および帯域フィルタ４４および４６（第４ Ａ図−第４Ｃ図）を用い、多重測定が、１分間隔などの、固定間隔で行なわれ、 これらの測定値の傾斜が決定される。次に、不透明面１０６および！０８および 帯域フィルタ１０２．１０４（第５Ａ図−第５Ｃ図）を用いて、新しい蛍光団の 蛍光測定が行なわれ、この新しい蛍光団の測定値で最初の４つの測定値が除算さ れて、正規化された傾斜値が得られる。

この正規化された傾斜値は、検査されている被分析物の濃度と、所定の校正曲線 を通じて関係している。流体サンプル自体から生じるバックグラウンド蛍光信号 は無視できるほど小さい。

上述の測定のほかに、例えばＭＴＭまたはＣＡＰ試験を用いた比率検査が、所定 の、または少くとも決定可能な、間隔て、一連の読取りを行なうことによって、 行なわれる。

図示されてはいないか、マイクロプロセッサ１２０は、参照光検出器７８の出力 信号を監視し、ステッパモータ６６の回転を追跡することによって、フィルタ車 の位置を監視する。さらに、マイクロプロセッサ１２０は、試験要素の形式、フ ィルタ車の位置、等の他の入力を、他のホトインタラプタ、近接スイッチなとの 通常のセンサ素子から受け、あるいは装置の使用者から、キーボード、数字キー バッド、またはタッチスクリーンを経て与えられるディジタル入力を受けるよう にな−っている。このような入力装置は、光学装置、蛍光計、または分析装置の 一部をなす。

次の方程式か成立するものとする Ｐ（ｓ）＝Ｐ（ａ）　ｘ　Ｔ（１）２ｘ　Ｔ（ｆ）　ＸΩ／（４；ｒ）たたし、 Ｐ　（ｓ）はスライドまたは試験要素」二における電力であり、 Ｐ　（ａ）は、化学線領域におけるランプの出力電力（５ｍＷ　　ＭＴＭ、Ｉ　 ４ｍＷ　　ＣＡＰ）てあり、Ｔ（１）は、非球面レンズの透過率（０，９０）て あり、 Ｔ　（ｆ）は、励起フィルタの透過率（０，５０Ｍ　Ｔ　Ｍ、０．３ＯＣＡ、、 Ｐ）であり、Ωは、レンズの集光立体角（０，３）である。

本発明の実施例の光学装置は、ＭＴＭ試験においてはＰ　（ｓ）〜５５０μＷを 与え、ＣＡＰ試験においてはＰ　（ｓ）〜８１μＷを与える。

さらに、ＭＴＭ試験要素の最小出力はＰ　（ｅ）〜Ｐ　（ｓ）ｘｌＥ−６てあり 、ＣＡＰ試験要素においてはＰ　（ｅ）　〜Ｐ　（ｓ）ｘ　ＩＥ−４であるもの とする。

ただし、Ｐ　（ｅ）は発射信号である。そのとき、同じ実施例の光学装置の主光 検出器上における電力は、次のようになる。

Ｐ（ｄ）＝Ｐ（ｅ）ｘＴ（１）”　ｘＴ（ｆ２）　ｘΩ／（４π）ただし、Ｐ　 （ｄ）は、検出器上における電力であり、Ｔ（ｆ２）は、発射フィルタの透過率 （０，５０Ｍ　Ｔ　Ｍ、０．０８　　ＣＡＰ）である。

以上の方程式を用いると、ＭＴＭ試験によって生せしめられる主光検出器上にお ける最小電力は、Ｐ　（ｄ）〜５Ｅ−１２’１Ｖ（５ピコワツト）となり、ＣＡ Ｐ試験によるものはＰ　（ｄ）〜７Ｅ−１１Ｗ（７０ピコワツト）となる。

以上の値により、本検出器回路は理論上の動作によって、５ピコワツトの信号の 場合は〜４００／１のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）を与え、７０ピコワツトの信号の場合は 〜５０００／１のＳ／Ｎを与える。

第８図に示さオ］ているように、同じタイミングパラメータを仮定すると、本発 明の主光検出器７６のような通常のシリコンホトダイオードのＳＮ比は、約７ピ コワツトから３，０００ピコワツトまての信号領域においては、通常の光電子増 倍管（ＰＭＴ）のＳＮ比に等しいか、それより大である。蛍光計技術においては 従来、低レベルの紫外光発生源を用いる場合に生じる低レベルのサンプル発射蛍 光を検出するために光電子増倍管を使用してきたか、本発明の光学装置において はタングステンハロゲン電球および固体検出器が存利に用いられる。これが可能 になる理由は、本光学装置が約７ピコワツトから３０００ピコワツトまでの発射 光信号を与えるからである。

この比較的高レベルの発射光信号は、ホトダイオード７６におけるＳＮ比を十分 以上のものにする。従って、本発明の光学装置における、固体光検出器および経 済的な低紫外出力光源の使用により、試験結果の信頼性の低下を生じない経済的 な光学装置が提供される。

多重層試験要素の使用に関連して期待される信号領域は、約４ピコワツトから３ ０００ピコワツトまでの範囲である。毛細管形の試験要素を使用する場合に期待 される信号領域は、約１００ピコワツトから３０００ピコワツトまての範囲であ る。ＭＴＭおよびＣＡＰ信号領域の相違の理由の一部は、多重層要素における蛍 光は標識付き抗原または抗体の育無によるか、毛細管要素における蛍光は酵素増 幅から生じるためである。

このように、本発明により、蛍光計に使用される極めて効果的な光学装置か提供 され、この装置によれば、なかんずく前述の諸口的が完全に達成される。説明さ れた実施例に対しては、本発明から逸脱することなく改変および／または変更を 行ないうる。例えば、説明された実施例においては、帯域フィルタの２つの整合 対を有するフィルタ車が用いられたが、帯域フィルタのもっと多数または少数の 対を存するフィルタ車も用いられうる。

さらに、本技術分野に精通した者ならば、以上の説明および添付図面から明らか なように、本発明から逸脱することなく、その他の改変および／または変更を行 なうことかできるはずである。従って、以上の説明および添付図面は単に実施例 を説明するだめのものであり、限定的なものではないこと、および本発明の真の 精神および範囲は請求の範囲によって定められるものであること、を強調してお かなくてはならない。

３００にタンクステン出力　（３５ワット／ｌｎｍ　８Ｗ）シ皮長（ｎｍ） 手続補正書 特補正長官殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ　９０１０３３１２ ２、発明の名称 免疫試験装置用光学式読取ヘッド ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　ビービー　ダイアグノスティックシステムズ、インコーボレーテッド 新大手町ビルヂング３３１ 同時に出願審査請求書を提出してあります。

ｒ請求の範囲 １、第１波長帯域内の励起エネルギーによって流体サンプルを照射し、該サンプ ルにより発射された第２波長帯域内の放射エネルギーの量を決定し、該発射され た放射の量を前記流体サンプル中の被検査成分の濃度に関連せしめることによっ て、該流体サンプル中の該成分の濃度を分析するのに用いられる光学装置であっ て、 外部表面と、励起および発射光手技を画定する１対の通路と、を育するハウジン グであって、該励起及び発射光手技か前記外部表面付近で交わって該ハウジング 内に読取りボートを画定する該ハウジングと、 該ハウジングに対し回転しつるように軸受けされた実質的に円柱状のフィルタ車 てあって、励起および発射フィルタの少なくとも１つの整合対を支持し、かつそ れぞれの前記光学波に沿っての光りの通過を阻止するに十分な大きさの直径の反 対側にある不透明領域を有しており、前記フィルタ車が少なくとも第１および第 ２動作位置を有し、該第１位置にお′いては前記少なくとも１つの整合対の前記 励起および発射フィルタのそれぞれが前記励起および発射波のそれぞれの中に配 置されており、前記第２位置においては前記励起および発射波のそれぞれが前記 不透明領域により阻止されている、前記フィルタ車と、 前記励起および発射光手技を互いから光学的に絶縁する手段であって、前記フィ ルタ車と前記ハウジングとの間の光バブル手段を含む該絶縁手段と、 を含む光学装置。

２　第１短波長帯域内の励起エネルギーによって流体サンプルを照射し、該サン プルにより発射された第２長波長帯域内の蛍光放射エネルギーの量を決定し、該 発射さねた蛍光放射の量を前記流体サンプル中の被検査成分の濃度に関連せしめ ることによって、該原体サンプル中の該成分の濃度を分析するようになっている 蛍光計装置に用いられる光学装置であって、 外部表面と、励起および発射光手技を画定する１対の通路と、を有するハウジン グであって、該励起及び発射光学波が前記外部表面付近で交わって該ハウジング 内に読取りボートを画定する該ハウジングと、 該ハウジングに対し回転しつるように軸受けされた実質的に円柱状のフィルタ車 であって、励起および発射フィルタの少なくとも１つの整合対を支持し、かつそ れぞれの前記光学波に沿っての光りの通過を阻止するに十分な大きさの直径の反 対側にある不透明領域を存しており、前記フィルタ車か少なくとも第１および第 ２動作位置を有し、該第１位置においては前記少なくとも１つの整合対の前記励 起および発射フィルタのそれぞれか前記励起および発射波のそれぞれの中に配置 されており、前記第２位置においては前記励起および発射波のそれぞれが前記不 透明領域により阻止されている、前記フィルタ車と、 前記励起および発射光学波を互いから光学的に絶縁する手段であって、前記フィ ルタ車と前記ハウジングとの間の光バブル手段を含む該絶縁手段特表平３−５０ ３４５３　（１１） と、 を含む光学装置。

３、　前記蛍光計装置か２重チャンネル蛍光計として動作し、前記励起および発 射帯域フィルタの２つの整合対を含み、それによって他方の該整合対か前記励起 および発射枝肉に配置される第３位置を前記フィルタ車か有している、請求項２ 記載の光学装置。

４、紫外および可視光を前記励起光手技へ供給するタングステンハロゲン励起光 源手段をさらに含む、請求項３記載の光学装置。

光に対する高度に透過性を有する光通過光学手段を含む、請求項４記載の光学装 置。

６、前記励起および発射光学波が鋭角をなして交わり、前記絶縁手段か、該励起 および発射光学波の語文わりの近くに、鏡様に反射された励起照射を吸収するた めの光トラップを含む、請求項１記載の光学装置。

記サンプルから発射される蛍光と暗信号との和を示す出力を受けかつ発生し、該 フィルタ車が前記第２位置にある時数暗信号のみを発生するための前記主および 参照光検出器のそれぞれがホトダ周状ラビリンスを含む、請求項２記載の光学装 置。

長する少なくとも１つの円筒形フランジと、該フランジを収容するための前記ハ ウジングの対応凹部とを含む、請求項８記載の光学装置。

試験要素の前部表面の蛍光分光により血清その他の生成物学的流体サンプルの免 疫試験を行いうる免疫試験装置を含み、該装置か試験要素を前記ハウジングの前 記読取ボートの上部の分析位置に支持する手段を含む、請求項２記載の光学装置 。ｌ国際調査報告　　ＰＣＴ／ｌ１５９０１０３３１２国際調査報告 ＴｈｗＮ＃１−１細−吻一一一小一真−１−−ｕｄｗｒ−紹騙−０自輻箸−鵬− １−呻噌−ｌ陣−−１引噌舗−胃一―−−ルη−−−−鴨杭柵（―楠−−鴫−１ 嶽雫箇Ｖ−蛎側一■Ｗ−輪Ｊ旬ｔｍ７ｂｓ　ｔｈＪｔ雫蛎Ｐ絢城ω−１１〕ｍ　 ｗｓｙ　ｉ−ｍ　１１ｍ５−ｖ−一ロー１１を吻−１ｙ　−一中囃ｙ　ｗｗｗａ ｍｍ＞

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．第１波長帯域内の励起エネルギーによって流体サンプルを照射し、該サンプ ルにより発射された第２波長帯域内の放射エネルギーの量を決定し、該発射され た放射の量を前記流体サンプル中の被検査成分の濃度に関連せしめることによっ て、該流体サンプル中の該成分の濃度を分析するのに用いられる光学装置であっ て、外部表面と、励起および発射光学枝を画定する１対の通路と、を有するハウ ジングであって、該励起および発射光学枝が前記外部表面付近で交わって該ハウ ジング内に読取ポートを画定する該ハウジングと、該ハウジングに対し回転しう るように軸受けされた実質的に円柱状のフィルタ車であって、励起および発射フ イルタの少なくとも１つの整合対を支持し、かつそれぞれの前記光学枝に沿って の光の通過を防止するに十分な大きさの直径の反対側にある不透明領域を有して おり、前記フィルタ車が少なくとも第１および第２動作位置を有し、該第１位置 においては前記少なくとも１つの整合対の前記励起および発射フィルタのそれぞ れが前記励起および発射枝のそれぞれの中に配置されており、前記第２位置にお いては前記励起および発射枝のそれぞれが前記不透明領域により阻止されている 、前記フィルタ車と、前記励起および発射光学枝を互いから光学的に絶縁する手 段であって、前記フィルタ車と前記ハウジングとの同の光バフル手段を含む該絶 縁手段と、を含む光学装置。
2. ２．第１短波長帯域内の励起エネルギーによって流体サンプルを照射し、該サン プルにより発射された第２長波長帯域内の蛍光放射エネルギーの量を決定し、該 発射された蛍光放射の量を前記流体サンプル中の被検査成分の濃度に関連せしめ ることによって、該流体サンプル中の該成分の濃度を分析するようになっている 蛍光計装置に用いられる光学装置であって、 外部表面と、励起および発射光学枝を画定する１対の通路と、を有するハウジン グであって、該励起および発射光学枝が前記外部表面付近で交わって該ハウジン グ内に読取ポートを画定する該ハウジングと、該ハウジングに対し回転しうるよ うに軸受けされた実質的に円柱伏のフィルタ車であって、励起および発射フィル タの少なくとも１つの整合対を支持し、かつそれぞれの前記光学枝に沿っての光 の通過を胆止するに十分な大きさの直径の反対側にある不透明傾城を有しており 、前記フィルタ車が少なくとも第１および第２動作位置を有し、該第１位置にお いては前記少なくとも１つの整合対の前記励起および発射フィルタのそれぞれが 前記励起および発射枝のそれぞれの中に配置されており、前記第２位置において は前記励起および発射枝のそれぞれが前記不透明領域により阻止されている、前 記フィルタ車と、前記励起および発射光学枝を互いから光学的に絶縁する手段で あって、前記フィルタ車と前記ハウジングとの間の光バフル手段を含む該絶縁手 段と、を含む光学装置。
3. ３．前記蛍光計装置が２重チャネル蛍光計として動作し、前記励起および発射帯 域フィルタの少なくとも１つの整合対が、励起および発射干渉フィルタの２つの 整合対を含み、それによって他方の該整合対が前記励起および発射校内に配置さ れる第３位置を前記フィルタ車が有している、請求項２記載の光学装置。
4. ４．紫外および可視光を前記励起光学枝へ供給するタングステンハロゲン励起光 源手段をさらに含む、請求項３記載の光源装置。
5. ５．前記タングステンハロゲン光源手段が、タングステンハロゲン電球と、該電 球から後方へ送られる放射を該電球からの直接放射に加わる実質的にコリメート されたビームとして前方へ送るための一体的反射器と、を含む、請求項４記載の 光学装置。
6. ６．前記タングステンハロゲン光源手段がさらに集束反射器要素を含み、前記励 起枝が穴を含み、該集束反射器要素が、前部屈折表面と、前記タングステンハロ ゲン電球の光軸に対し４５°の角をなして置かれた後部平鏡面と、を有すること により該集束反射器要素が前記タングステンハロゲン電球および一体的反射器か らの実質的にコリメートされた照明を折曲げて前記穴上へ集束せしめるようにな っている、請求項５記載の光学装置。
7. ７．前記励起および発射光学枝がそれぞれ紫外光に対する高度の透過性を有する 光通過光学手段を含む、請求項６記載の光学装置。
8. ８．前記励起および発射校のそれぞれの中の前記光透過性光学手段が、前記帯域 フィルタの領域内へコリメートされた光を供給するための間隔を置いた逆向きの １対の非球面レンズを含む、請求項７記載の光学装置。
9. ９．前記非球面レンズが紫外光に対し高度の透過性を有する光学プラスチック材 で形成されている、請求項８記載の光学装置。
10. １０．前記励起および発射光学枝が鋭角をなして交わり、前記絶縁手段が、該励 起および発射光学枝の該交わりの近くに、鏡様に反射された励起照射を吸収する ための光トラップを含む、請求項９記載の光学装置。
11. １１．前記フィルタ車が前記第１位置にある時前記サンプルから発射される蛍光 と暗信号との和を示す出力を受けかつ発生し、該フィルタ車が前記第２位置にあ る時該暗信号出力のみを発生するための主光検出器をさらに含む、請求項１０記 載の光学装置。
12. １２．前記フィルタ車が前記第１位置にある時前記タングステンハロゲン光源手 段から供給される励起照明を示す出力信号を受けかつ発生し、また該フィルタ車 が前記第２位置にある時雑音および暗信号出力を発生するための参照光検出器を さらに含む、請求項１１記載の光学装置。
13. １３．前記参照光検出器が前記励起枝から遠隔の位置に配置され、前記光学装置 がさらに、該励起光学枝内における前記励起フィルタの下流位置に置かれてフィ ルタされた励起光を受け、この光を前記参照光検出器へ供給するための光ファイ バピックオフを含む、請求項１２記載の光学装置。
14. １４．前記主および参照光検出器のそれぞれがホトダイオードである、請求項１ ２記載の光学装置。
15. １５．前記フィルタ車の前記励起および発射フィルタの２つの整合対が、前記励 起および発射光学枝間の鋭角を２等分する軸線の回りの円錐状径路内を回転し、 それによって該励起および発射枝内に配置された時、該励起および発射枝に対し て垂直な方向を有するようになっている、請求項１４記載の光学装置。
16. １６．前記光バッフル手段が少なくとも１つの円周状ラビリンスを含む、請求項 １５記載の光学装置。
17. １７．前記ラビリンスが、前記フィルタ車から延長する少なくとも１つの円筒形 フランジと、該フランジを収容するための前記ハウジングの対応凹部とを含む、 請求項１６記載の光学装置。
18. １８．それぞれの前記光学プラスチック非球面レンズが、前記サンプルに向けら れた励起光が該サンプルに対して少なくとも約３７°の傾斜角をなして入射し、 最も低い反射光の角が少なくとも約３３°になるように、削られている、請求項 １７記載の光学装置。
19. １９．前記蛍光計装置が、１つまたはそれ以上の試験要素の前部表面の蛍光分光 により血清その他の生物学的流体サンプルの免疫試験を行ないうる免疫試験装置 を含み、該装置が試験要素を前記ハウジングの前記読取ポートの上部の分析位置 に支持する手段を含む、請求項１８記載の光学装置。
20. ２０．それぞれの前記光学プラスチック非球面レンズが、１方位に沿って小形化 され、また直交方位に沿ってのスループットが最適化されるように、長方形状を なしている、請求項１８記載の光学装置。
21. ２１．前記光学枝が長方形状をなす、請求項２記載の光学装置。