JPH03503454A

JPH03503454A - 免疫試験法のための光学式読取装置

Info

Publication number: JPH03503454A
Application number: JP2509548A
Authority: JP
Inventors: ボウェン，マーク　スタンダー; ファントン，スチーブン　ディー．; ミラー，ブルース　イー．; トムプソン，デュアン　ティー．
Original assignee: ベーリング　ダイアグノスティクス　インコーポレイテッド
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1991-08-01
Also published as: DK0438550T3; DE69012088T2; CA2019015C; EP0438550B1; EP0438550A1; WO1991000995A1; DE69012088D1; US4977325A; ES2063971T3; ATE110848T1; CA2019015A1

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】免疫試験法のための光学式読取装置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社用の経済的でしかも高度に効果的な光学装置と、これ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、流体サンプル、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が用いられる。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果を達成するために、高出力紫外光源および光電子増倍管の一方または双方を備えている。

キ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、高価であるだけでなく、過度に発熱し、被検体に不可逆的損傷を与え、雑音を生じ、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ハロゲンランプのような比較的低レベルの紫外線出力を存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、光子が数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か要望される。

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つる、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だめの固体光検出器とを用いた、励起技と発射技とを有する、経済的でしかも高度に効果的な２重チャネル蛍光計が提供される。これらの成分により信頼性のある結果を得ることかできるのは、励起技と発射技どに紫外領域において約９０９６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、発射技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１対の不透明面をも含む。このフィルタ車が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、励起技および発射技の双方は、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ねそ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／増幅器に固有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ブロック図であり、第７図は、通常のタングステンハロ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、光電子増信管と、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。

特表千３−５０３４５４　（４）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で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Ｅ１．［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！６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を存する励起光路が、上部ハウジング部！６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を存する発射光路は、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Ｉ８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３０，３２．３４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２４．２８，３０．３４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を存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、後部平鏡面５６とを存する、反射および集束要素５２が存在する。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の回りに回転しつるように、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７２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かフィルタ車２０の周囲に洩れないようにする光バフ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、主光検呂器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。双方の光検出器は、ハウジング部１８内に形成された空洞内の、読取ヘッドの発射技端部に着座した共通回路板７３上に取付けられている。光検出器７６は、遮光部材７５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１４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との出力装置９８は、固体回路１４から線路ｌｏｏを経て供給された濃度しベルを出力する。

第２図に示されているように、フィルタ車２０（鎖線て表わされている）は、励起および発射帯域フィルタ４４および４６（第１図）の整合対だけでなく、第２整合対の帯域フィルタ１０２および＋０４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＋０６および１０８と、をも含む。帯域フィルタ４４．４６．１．０２゜１０４は実線で示されているか、フィルタ車２０の残余部分は鎖線で示され、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−＼傾斜し２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か、それぞれの帯域フィルタ４４，４８，１０２，１．０４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、１３５°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存する。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、全体か５ｃｈｏｔｔの吸収ガラスによって作られており、励起フィルタ４４は３６０ｎｎ＋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パ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まで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、タングステンハロ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、赤夕１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ンハロゲン電球は、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うる。

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０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、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有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。

反射光の制御を最適化し、必要な空間を少なくするために、非球面レンズ３６，３８，４０．４２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が、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が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。

非球面レンズ４０は、試験要素Ｅからの拡散反射光および蛍光Ｈを集めてコリメートする。集光レンズ４０は、レンズ全体が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は通過せしめるか、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の吸収ガラスで作られており、このフィルタ４６は４２５ｎｍより小さい全ての波長を阻止し、４５０ｎｍ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４７０ｎｍ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特性を存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４６の「阻止」率すなわち入射白色光対透過光の比は１０４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有する光学プラスチックなどの光学材料で作られる。例えば、Ｒｏｈｍ　ａｎｄ　Ｈａａｓ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の下流位置に光フアイバビックオフ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２０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が励起光路を阻止し、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５Ｂ図に示された位置へは、ステッパモータ６６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べ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７６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図の固体制御および処理回路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重傾斜アナログ−ディジタル変換器＋１８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からの電流信号Ｓｅ、　Ｄｃ（主チャネル信号）およびＦｃ、Ｒｃ　（参照チャネル信号）はそれぞれ、変換器、例えば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Ｓｖ、Ｄｖ、Ｆｖ、Ｒｖに増幅され変換される。

プログラム可能スイッチ＋１４は、一時に電圧信号Ｓｖ。

Ｄｖ、Ｆｖ、Ｒｖの１つを、ｌｘから１２８ｘまでの範囲内の２の累乗から選択されつ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ｇＦｖ。

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、参照ホトダイオード７町に対しては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ｇＦｖ、ｇＲｖ、ＧＳｖ。

ＧＤｖは、逐次２重傾斜Ａ／Ｄ変換器１１８へ供給されて、そねそ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、正確にカウントされる。、二の正確なＩＪカウント値は、アナログ入力信号に対応するディジタル値を表オつす。ディジタル値Ｆ、Ｒ，Ｓ、Ｄは、一時に１−）かマイクロプロセッサ１２０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、フィルタ車か第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ＩＪ−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７、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、不透明領域１０８は発射光路に沿っての照明のｌｆｆ］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。

Ｓ　Ｃ＋　　Ｄ　Ｃ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１０４を用いるそれぞれの測定点において行なわれる。単一信号か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２５０ｍ５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か最小化される。

マイクロプロセッサ＋２０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てあり、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１０は、多重層（Ｍ　Ｔ　Ｍ　）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９０ｎｍ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か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＋０６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層試験要素に対して加えられ、この湿式試験要素か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か得られる。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しない。流体サンプル自体から生じるハ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うる。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２１／２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４Ａ図〜第４Ｃ図）を用い、多重測定か、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か決定される。次に、不透明面１０６および１０８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か行なわれ、この新しい蛍光団の測定値で最初の４つの測定値か除算されて、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、または少なくとも決定可能な、間隔で、一連の読取りを行なうことによって、行なわれる。

図示さす］てはいないが、マイクロプロセッサ１２０は、参照光検出器７８の出力信号を（視１５５、スヂソバ千−夕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、近接スイッチなど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、数字キーバット、またはタッチスクリーンを経て（４）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）ｘＴ（１）２ｘＴ（ｆ）ＸΩ／（４π）たたし、Ｐ　（ｓ）はスライドまたは試験要素上における電力であり、Ｐ　（ａ）は、化学線領域におｆするランプの出力電力（５ｍ　Ｗ　　Ｍ　Ｔ　Ｍ、１４ｍＷ　　ＣＡＰ）てあり、Ｔ（１）は、非球面［／ンズの透過率（０，９０）であり、Ｔ　（ｆ）は、励起フィルタの透過率（０，５ＯＮ、Ｉ　Ｔ　Ｍ、０．３０　　ＣＡＰ）てあり、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、Ｍ　Ｔ　Ｍ試験においてはＰ　（ｓ）〜５５０μ Ｗを与え、ＣＡＰ試験においてはＰ　（ｓ）〜８１μＷを与える。

さらに、ＭＴ　Ｍ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）ｘｌＥ−４であるものとする。

ただ１．、Ｐ　（ｅ）は発射信号である。・ものとき、同し実施例の光学装置の１つ光検出器上における電力は１．次のようになるＰ（ｄ）＝Ｐ（ｅ）ｘＴ（１）’　ｘＴ（ｆ２）　ｘΩ、／（４π）ただし、Ｐ　（ｄ）は、検出器とにおける電力であり、Ｔ（ｆ２）は、発射フィルタの透過率（０，５０ＭＴＭ、０．０８　　ＣＡＰ）である。

以北の方程式を用いると、Ｍ　Ｔ　Ｍ試験によって生せしめられる主光検出器」二における最小電力は、Ｐ　（ｄ）〜５　Ｅ　　ｌ　２　Ｗ　（５ピコワット）となり、ＣＡＰ試験によるものはＰ　（ｄ）〜“７Ｅ−１１Ｗ（７０ピコワツト）となる。

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

第８図に示されているように、同し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］・から３．０００ピコワツトまで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（７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が、本発明の光学装置においてはタングステＺＩＩ’　／　Ｎロゲン電球および固体検出器か有利に用いられる。、：れか可能になる理由は、本光学装置か約７ビフワツトから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か提供される。

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３０００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ピコワツトまでの範囲である。Ｍ　Ｔ　Ｍ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有無によるが、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か完全に達成される。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つの整合対を存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有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ができるはずである。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ためのものであり、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にタングステン８力　（３５ワット／１ｎｍ　ＢＷ）波長（ｎｍ）＋　　　１０　１００１０００　１００００手続補正書１補正性の表示ＰＣＴ／ＵＳ　９０１０３３１４２発明の名称免疫試験法のための光学式読取装置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。

インコーホレーテッド４、代理人居所　〒１００東刺制午３区大手町二丁目２番１号新大手町ビルヂング３３１５、補正により減少する請求項の数　　７６、補正の対象請求の範囲７、補正の内容　　別紙のとおり「　　　　　　　　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、流体サンプルなどの中の成分濃度を分析するのに用いられる光学装置であって、前記サンプルを励起する光を発生するための放射源と、励起および発射光学校の少なくとも一方が前記放射源から発射された光に対応する波長において高序の透過性を有する光学手段を含む、該励起および発射光学校と、該発射技に沿った放射を受けて前記サンプル発射放射を示す出力を発生するための固体光検出器手段と、前記励起技に沿って配置され、前記放射源を選択的にフィルタすることにより前記第１波長帯域内の前記励起エネルギーを供給する手段、および前記発射光学校に沿って配置され、前記サンプルからの放射をフィルタすることにより前記光検出器手段のスペクトル応答か前記第２波長帯域内の波長に限定されるようにする手段と、が前記第１位置にある時前記放射源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、また前記阻止手段が前記第２位置にある時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１記載の光学装置。

３、　前記固体光検出器手段か前記発射波に沿って主光検出器を含み、前記主および参照光検出器が、電流信号の形式の出力を発生するホトダイオードで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、流体サンプルなどの中の成分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、前記サンプルを励起する光を発生するための紫外線含育量の少ない放射源と、励起および発射光学波のそれぞれか、スペクトルの紫外領域において高度の透過性を有する光学手段を含む該励起および発射光学波と、該発射波に沿った放射を受けて前記サンプル発射放射を示す出力を発生するための固体光検出器手段と、前記励起波に沿って配置され、前記放射源を選択的にフィルタすることにより前記第１短波長帯域内の前記励起エネルギーを供給する手段、および前記発射光学波に沿って配置され、前記サンプルからの放射をフィルタすることにより前記光検出器手段のスペクトル応答が前記第２長波長帯域内の波長に限含み、選択的にフィルタ作用または阻止作用を行な５、前記固体光検出器手段が、前記帯域フィルタが前記第１位置にある時前記放射源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、また前記阻止手段が前記第２位置にある時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４記載の光学装置。

６、　前記光検出器手段が前記発射波に沿って主光検出器を含み、前記主および参照光検出器が、電流信号の形式の出力を発生するホトダイオードである、と、参照光検出器励起信号（Ｒ）と、主光検出器暗信号（Ｓ）と、主光検出器暗信号（Ｄ）と、に基づき、主光検出器信号の利得を（Ｇ）として、アルゴリズムＮ＝　（Ｓ−Ｄ）／　（Ｒ−Ｆ）Ｇを用いて蛍光測定値を生じるようになっている、請求項６記載の光学装置。

８６　　前記蛍光計装置か、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光学装置の上部の分析位置に支持する手段を含み、請求項７記載の光学装置。

９、照明源と、励起および発射光学波と、フィルタされた励起放射を受けるための参照光検出器と、フィルタされたサンプル発射蛍光を受けるための主光検出器と、前記励起および発射光学波を選択的にフィルタまたは阻止するための手段と、を有する光学装置を用いる生物学的流体サンプルの蛍光分光分析の方法であって、参照光検出器暗信号（Ｆ）を発生せしめる段階と、参照光検出器励起信号（Ｒ）を発生せしめる段階と、主光検出器発射信号（Ｓ）を発生せしめる段階と、主光検出器暗信号（Ｄ）を発生せしめる段階と、主光検出器信号の利得を（Ｇ）とするとき、前記諸信号を処理してＮ＝　（Ｓ−Ｄ）／　（Ｒ−Ｆ）Ｇによって与えられる蛍光測定値（Ｎ）を発せしめる段階と、を含む生物学的流体サンプルの蛍光分光分析の方法。

１０．　　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、流体サンプルなどの中の成分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、前記サンプルを励起する光を発生するための紫外線含有量の少ないタングステン・ハロゲン放射源と、励起および発射光学校のそれぞれが、スペクトルの紫外領域において高度の透過性を有する光学手段を含む該励起および発射光学校と、該発射波に沿った放射を受けて前記サンプル発射放射を示す出力を発生するための固体光検出器手段と、前記励起波に沿って配置され、前記放射源を選択的にフィルタすることにより前記第１短波長帯域内の前記励起エネルギーを供給する手段、および前記発射光学校に沿って配置され、前記サンプルからの放射をフィルタすることにより前記光検出手段のスペクトル応答が前記第２長波長帯域内の波長に限定されるようにする手段と、を含む光学装置。」国際調査報告国際ｙＡ査報告ＳＡ　　３８１９７

Claims

【特許請求の範囲】

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、流体サンプルなどの中の成分濃度を分析するのに用いられる光学装置であって、前記サンプルを励起する光を発生するための放射源と、励起および発射光学枝の少なくとも一方が前記放射源から発射された光に対応する波長において高度の透過性を有する光学手段を含む、該励起および発射光学枝と、該発射枝に沿った放射を受けて前記サンプル発射放射を示す出力を発生するための固体光検出器手段と、前記励起枝に沿って配置され、前記放射源を選択的にフィルタすることにより前記第１波長帯域内の前記励起エネルギーを供給する手段、および前記発射光学枝に沿って配置され、前記サンプルからの放射をフィルタすることにより前記光検出器手段のスペクトル応答が前記第２波長帯城内の波長に限定されるようにする手段と、を含む光学装置。
２．前記フィルタ手段が、励起および発射帯域フィルタの少なくとも１つの整合対と、それぞれの前記光学枝に沿った光の通過を阻止するための手段と、を含み、選択的にフィルタ作用または阻止作用を行なうための前記フィルタ手段が少なくとも第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阻止手段により阻止されている、請求項１記載の光学装置。
３．前記固体光検出器手段が、前記帯域フィルタが前記第１位置にある時前記放射源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、また前記阻止手段が前記第２位置にある時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２記載の光学装置。
４．前記固体光検出器手段が前記発射枝に沿って主光検出器を含み、前記主および参照光検出器が、電流信号の形式の出力を発生するホトダイオードである、請求項３記載の光学装置。
５．前記固体光検出器手段が、光検出器毎に１つの、それぞれの光検出器の前記電流出力信号を電圧信号に変換しかつ増幅するための、トランスインピーダンス増幅器をさらに含む、請求項４記載の光学装置。
６．前記放射源がタングステンハロゲンランプを含む、請求項１記載の光学装置。
７．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、流体サンプルなどの中の成分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、前記サンプルを励起する光を発生するための紫外線含有量の少ない放射源と、励起および発射光学枝のそれぞれが、スペクトルの紫外領域において高度の透過性を有する光学手段を含む該励起および発射光学枝と、該発射枝に沿った放射を受けて前記サンプル発射放射を示す出力を発生するための固体光検出器手段と、前記励起枝に沿って配置され、前記放射源を選択的にフィルタすることにより前記第１短波長帯域内の前記励起エネルギーを供給する手段、および前記発射光学枝に沿って配置され、前記サンプルからの放射をフィルタすることにより前記光検出器手段のスペクトル応答が前記第２長波長帯域内の波長に限定されるようにする手段と、を含む光学装置。
８．前記フィルタ手段が、励起および発射帯域フィルタの少なくとも１つの整合対と、それぞれの前記光学枝に沿った光の通過を阻止するための手段と、を含み、選択的にフィルタ作用または阻止作用を行なうための前記フィルタ手段が少なくとも第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阻止手段により阻止されている、請求項７記載の光学装置。
９．前記固体光検出器手段が、前記帯域フィルタが前記第１位置にある時前記放射源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、また前記阻止手段が前記第２位置にある時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８記載の光学装置。
１０．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が前記励起および発射枝内に配置される第３位置が備えられている、請求項９記載の光学装置。
１１．前記光検出器手段が前記発射枝に沿って主光検出器を含み、前記主および参照光検出器が、電流信号の形式の出力を発生するホトダイオードである、請求項１０記載の光学装置。
１２．前記固体光検出器手段が、光検出器毎に１つの、それぞれの光検出器の前記電流出力信号を電圧信号に変換しかつ増幅するための、トランスインピーダンス増幅器をさらに含む、請求項１１記載の光学装置。
１３．前記固体光検出器手段が、前記トランスインピーダンス増幅器の前記電圧信号出力を受けかつこれを選択的に、１Ｘから１２８Ｘまでの範囲内の２の累乗から選択される増幅率を有するプログラム可能利得増幅器であってそれぞれのトランスインピーダンス増幅器のそれぞれの出力に対し別々の利得選択を行ないうる護プログラム可能利得増幅器、へ送るためのプログラム可能スイッチをさらに含む、請求項１１記載の光学装置。
１４．前記固体光検出器手段が、２重傾斜Ａ／Ｄ変換器と、データ整理用プロセッサと、をさらに含み、該２重傾斜Ａ／Ｄ変換器が前記プログラム可能利得増幅器の出力を受けて、これを表わすディジタルカウント値を発生し、このカウント値を前記データ整理用プロセッサへ送る動作をする、請求項１３記載の光学装置。
１５．前記プロセッサが、参照光検出器暗信号（Ｆ）と、参照光検出器励起信号（Ｒ）と、主光検出器発射信号（Ｓ）と、主光検出器暗信号（Ｄ）と、に基づき、主光検出器信号の利得を（Ｇ）として、アルゴリズムＮ＝（Ｓ−Ｄ）／（Ｒ− Ｆ）Ｇを用いて蛍光測定値を生じるようになっている、請求項１４記載の光学装置。
１６．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光学装置の上部の分析位置に支持する手段を含む、請求項１５記載の光学装置。
１７．照明源と、励起および発射光学枝と、フィルタされた励起放射を受けるための参照光検出器と、フィルタされたサンプル発射蛍光を受けるための主光検出器と、前記励起および発射光学枝を選択的にフィルタまたは阻止するための手段と、を有する光学装置を用いる生物学的流体サンプルの蛍光分光分析の方法であって、参照光検出器暗信号（Ｆ）を発生せしめる段階と、参照光検出器励起信号（Ｒ）を発生せしめる段階と、主光検出器発射信号（Ｓ）を発生せしめる段階と、主光検出器暗信号（Ｄ）を発生せしめる段階と、主光検出器信号の利得を（Ｇ）とするとき、前記諸信号を処理してＮ＝（Ｓ−Ｄ）／（Ｒ−Ｆ）Ｇによって与えられる蛍光測定値（Ｎ）を発せしめる段階と、を含む、生物学的流体サンプルの蛍光分光分析の方法。