SE503116C2 - Anordning för att detektera fluorescens - Google Patents

Description

15 20 25 30 503116 2 hög känslighet och minsta möjliga störning av mätförfarandet.

Ovanstående syften uppnås genom att det optiska elementet möjliggör ljusreflexion mot en rotationselliptisk eller rotationsparabolisk yta hos detsamma, varvid åtminstone en del av nämnda element är i optisk kontakt med kyvettrörväggen och har ett brytningsindex, som överstiger brytningsindex för provmediet, varvid en fotodetektor är anordnad att detekteraifluorescensljus, vilket efter passage i kyvettröret infaller mot densamma via det optiska elementet. Företrädesvis är ljuskällan anordnad vid utsidan av en rak del av kyvettröret och det optiska elementet är ett ljussamlande element, exempelvis i form av en på kyvettröret monterad hylsa, som är tillverkad av exempelvis kvarts eller plexiglas och anordnad att fokusera det i kyvettröret passerande fluorescensljuset mot fotodetektorn.

En för detektering av fluorescensljus avsedd anordning av detta slag lämpar sig speciellt väl för användning i kombination med en i och för sig känd UV-absorptions- detekteringsanordning, varvid vissa delar av den senare kan utnyttjas även för detekte- ringsanordningen för ljusfiuorescens.

Fördelaktiga utföringsforrner av den nya detekteringsanordningen framgår av de osjälvständiga patentkraven i den mån de inte innefattas av det ovan sagda.

Flera fördelar erhålls vid användning av den nya detekteringsanordningen, såsom: - fluorescensljus kan tas ut på en plats, där nivån av störljus av excitationsvågläng- den är mycket låg; - âtkomligheten för detektering blir betydligt bättre på något avstånd från ex- citationsstrålen än i dess närhet; - det blir möjligt att på ett enkelt sätt åstadkomma en kombinerad UV-absorptions- och fluorescensdetekteringsanordning, där det för UV-absorptionsdetekteringen avsedda ljuset även kan utnyttjas för att samtidigt excitera provmediet för fluorescens. Det för- hállandet att det utsända fluorescensljuset på ett enkelt sätt och utan att störa absorp- tionsmätningen kan detekteras pá ett lättåtkornligt ställe har härvid en avgörande betydelse.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare nedan i form av föredragna ut- föringsexempel under hänvisning till de bifogade ritningarna.

Fig. la och lb visar strålgången från ljuskälla till ljusdetektor vid absorptionsmät- ning, dels i ett snitt i kyvettrörets längdriktning dels i ett snitt i kyvettrörets tvärriktning; F ig. 2 visar i ett snitt utmed kyvettrörets längdriktning strålgången för ljus från en ljuskälla, varvid ljus passerar både tvärs genom kyvettröret och utmed detsamma; 10 15 20 25 30 503116 3 Fig. 3a-3c visar i tvärsnitt i kyvettrörets längdriktning tre olika utföringsformer av i den nya detektoranordningen ingående element.

Fig 4a och 4b visar i tvärsnitt i kyvettrörets längdriktning två ytterligare, fördelak- tiga utföringsformer av i den nya detekteringsanordningen ingående element.

I de olika ritningsfigurerna används samma hänvisningsbeteckningar för att ange likadana delar.

Det i ñg. la och lb åskådliggjorda arrangemanget avser strålgången vid UV-ab- sorptionsmätning on-line, varvid ljusstrålar från en ljuskälla 10 är riktade vinkelrätt mot ett kyvettrör 12, som innehåller ett för analys avsett strömmande provmedium. Ljusstrålarna fokuseras mot centrum av kyvettröret 12 med hjälp av en liten, starkt ljusbrytande lins 14.

Denna har i det visade exemplet formen av en kula, som kan vara tillverkad av exempelvis kvarts. Efter passagen genom provmediet i kyvettröret 12 passerar ljusstrâlarna ut vid kyvettrörets 12 motsatta sida, varvid ytterligare en kullins 16 utnyttjas för att åter samman- föra ljusstrålarna för intensitetsmätning i en detektor 18. Det i föreliggande fall använda kyvettröret 12 kan vara tillverkat av kvarts och kan ha en ytterdiameter av storleksord- ningen 0,4 mm samt en innerdiameter av storleksordningen 0,1-0,3 mm.

I fig. 2 visas nu också hur fluorescensljus kan åstadkommas genom att det genom kyvettröret 12 i pilriktningen passerande provmediet från ljuskällan 10 bestrålas med ljus av lämplig våglängd. I provmediet förekommande molekyler 20 av provsubstans kan härvid ha egenskapen att fluorescera av sig själva (s.k. autofluorescens) eller också kan de genom s.k. derivatisering ha blivit märkta med ett fluorescerande ämne. Mängden av det utsända fluorescensljuset är ett mått på den mängd provsubstans. som passerar förbi en mätpunkt.

Enligt fig. 2 åstadkommes belysningen med excitationsljus från ljuskällan 10, som är belägen vid utsidan av en rak kyvettdel, och ljusstrâlarna passerar genom kyvettrörväggen 22 på samma sätt som framgår av fig. la och lb. Fluorescensljus emitteras härvid av molekylerna 20 i provmediet i alla riktningar. Det gäller nu att på lämpligt sätt fånga upp detta fluorescensljus. En del av detsamma passerar ut genom kyvettrörväggen 22 och kan fångas upp med ett objektiv (icke visat), t.ex. strålarna a och b. En sådan metod har dock den nackdelen, att objektivet samtidigt fångar upp delar av det intensiva excitationsljuset, som genom reflektioner ger en krans av ljus runt kyvettröret 12. På detta sätt erhålls en mycket hög ströljusnivâ och detta minskar naturligtvis detelcteringskänsligheten.

Ett annat sätt för mätning av det emitterade fluorescensljuset erhålls genom att en 10 15 20 25 30 503116 4 del av detsamma, vilken inte passerar ut genom kyvettrörväggen 22, uppfångas. Om rikt- ningen av det utsända ljuset avviker med mindre än en viss vinkel från kyvettrörets 12 längdriktning totalreflekteras det vid gränsytan mellan kyvettrörväggen 22 och den kyvett- röret 12 omgivande luften. Om mediet inuti kyvettröret 12 exempelvis är vatten så är denna vinkel approximativt 41°. Den del av fluorescensljuset, som på detta sätt hindras från att komma ut ur kyvettröret 12, fortplantar sig på samma sätt som i en ljusledare i båda rikt- ningarna från excitationsstället; se t.ex. strålarna c och d.

Såsom speciellt framgår av fig. 3a-3c åstadkommes enligt uppfinningen arrange- mang, som är speciellt lärnpade för att leda ut det i kyvettröret 12 innestängda fluorescens- ljuset på ett lämpligt avstånd från excitationsstället och för att sålunda göra fluorescensljuset tillgängligt för mätning med hjälp av en fotodetektor 18. Utledningen av fluorescensljuset sker härvid med hjälp av ett optiskt element 26 eller 28, vilket måste ha ett brytningsindex, som överstiger brytningsindex för det i kyvettröret 12 inneslutna provmediet och i allmän- het tillverkas av material med väsentligen samma brytningsindex som kyvettrörväggen 22.

Själva principen för ledningen av fluorescensljuset ut ur kyvettröret 12 visas speciellt även vid den nedre delen av tig. 2. Optisk kontakt mellan kyvettrörväggen 22 och det optiska elementet 26 har här åstadkommits genom hopsmältning, inlirnning, hopgjutning eller med hjälp av ett vätskeformigt immersionsmedium. Det är även möjligt att utnyttja ett plastmaterial i fast tillstånd, vilket under tryck kan ge optisk kontakt mellan kyvettrör- väggen 22 och det optiska elementet 26.

En utföringsform av det optiska elementet 26 samt detekteringen av det från detta utgående fluorescensljuset visas i ñg. 3a. Härvid har det ljussarnlande optiska elementet 26 formen av en hylsa, vilken har ett centralt genomgående hål 30. Kyvettröret 12 är infört genom nämnda hål 30 och fixerat på ettdera av de ovan angivna sätten relativt det optiska elementet 26. Detta har väsentligen formen av en stympad massiv rotationsellipsoid. På detta sätt kommer samtliga i det optiska elementet 26 inpasserande fluorescensljusstrålar genom inre totalreflexion i det optiska elementets 26 mantelyta att fokuseras mot en gemen- sam punkt utmed kyvettrörets 12 axellinje, där fotodetektorn 18 är belägen. Mellan det optiska elementet 24 och fotodetektorn 18 är ett spärrfilter 32 inplacerat, vilket är avsett att eliminera ljus av icke önskade våglängder.

En speciellt fördelaktig utföringsform av uppfinningen framgår av ritningsfigur 3b.

Det optiska elementet 26 har härvid samma utformning som vid utföringsformen enligt fig. 10 15 20 25 30 503116 5 3a och strävar sålunda efter att fokusera fluorescensljus mot en punkt på kyvettrörets 12 axellinje. Framför fokuseringspunkten har dock ett spegelelement 34 inplacerats, varigenom fluorescensljusstrálarna bringas att stråla samman mot ett ställe, som är beläget utanför en rak del av kyvettröret 12. Liksom vid arrangemanget enligt fig. 3a är en fotodetektor 18 anordnad i fokuseringspunkten och ett spärrfilter 32 är inplacerat framför denna.

Vid den i fig. 3c åskådliggjorda utföringsformen är det optiska elementet 28 och spegelelementet 36 sammanbyggda till en enda enhet. Nämnda element, som kan bestå av samma material, exempelvis kvarts eller plexiglas, är linjärt inriktade relativt varandra och försedda med genomgående hål 38, 40. I nämnda hål 38, 40 är ett centreringsrör 42 infört på sådant sätt, att det sträcker sig helt genom spegelelementet 36 och också in genom huvuddelen av det optiska elementet 28. Arrangemanget är sådant, att de båda elementen 28, 36 har fin passning på röret 42 och är fixerade relativt detta. Vid det optiska elementets 28 smalare ände, genom vilken röret 42 ej sträcker sig, har hålet 40 i nämnda element en mindre diameter än vid den del, i vilken röret 42 är infört. Röret 42 har ñn passning på kyvettröret 12 och är fixerat relativt detta. Rörmaterialet är inte kritiskt men lämpligen kan det bestå av rostfritt stål.

Spegelelementets 36 speglande yta 44 bildar en vinkel av 45° mot kyvettrörets 12 axellinje. Detta innebär att de fluorescerande ljusstrålar, som reflekteras mot den speglande ytan 44 kommer att stråla samman mot detektorn 18 i en punkt, som är belägen på en linje vinkelrätt mot skärningspunkten mellan kyvettrörets 12 axellinje och den speglande ytans 44 centrum.

I stället för att, såsom vid utföringsformerna enligt fig. 3a och 3b, utnyttja en massiv ellipsoidisk kropp som optiskt element används vid utföringsformerna enligt ñg 4a resp. 4b ett optiskt element 46 av annat utförande. Sålunda består det optiska elementet 46 enligt fig. 4a och 4b av två komponenter, nämligen en väsentligen halvsfarisk massiv kropp 48, som är i optisk kontakt med kyvettröret 12 men inte har någon fokuserande verkan, och ett invändigt speglande rotationsellipsoidiskt skal 50, som åstadkommer ljusstrålarnas fokusering. Den halvsfäriska massiva kroppen 48 skjuter med sin buktiga yta in i nämnda skal 50 vid den smalare änden av detta, såsom framgår av ritningen, och brytningsindex för den halvsfäriska massiva kroppen 48 är detsamma som för de massiva optiska elementen 26 enligt fig. 3a och 3b.

Modifikationer av den ovan beskrivna detekteringsanordningen kan naturligtvis 505116 6 åstadkommas pà många olika sätt inom ramen för uppfinningsidén. Sålunda är det exempel- vis möjligt att leda ut fluorescensljuset direkt från det optiska elementet till en vid sidan av kyvettröret befintlig detektor med hjälp av optiska ljusledarfibrer. Vidare kan det optiska elementet även ha annan form än vad som angivits ovan i samband med de visade utförings- formerna. Elementet kan exempelvis utgöras av en stympad konisk rotationsparaboloid, varvid enllins är anordnad för fokusering av från rotationsparaboloiden utpasserande ljusstrålar mot fotodetektorn.

Claims (12)

10 15 20 25 30 503 1816 7 Patentkrav

1. Anordning för att genom ljusbestrålning detektera fluorescens i ett för analys avsett provmedium i ett kyvettrör (12), varvid anordningen innefattar en ljuskälla (10), som är anordnad vid utsidan av kyvettröret (12) för att huvudsakligen tvärs kyvettrörets (12) längdriktning sända ljus in i detsamma, och ett - med något mellanrum till ljuskällan m. a. p. kyvettrörets (12) längdriktning - pâ kyvettröret ( 12) monterat optiskt element (26; 28; 46), k ä n n e t e c k n a t av att det optiska elementet möjliggör ljusreflexion mot en rotationselliptisk eller rotationsparabolisk yta hos detsamma, varvid åtminstone en del av nämnda element är i optisk kontakt med kyvettrörväggen (22) och har ett brytningsindex, som överstiger brytningsindex för provmediet, varvid en fotodetektor (18) är anordnad att detektera fluorescensljus, vilket efter passage i kyvettröret (12) infaller mot densamma via det optiska elementet (26; 28; 46).

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att ljuskällan (10) är anordnad vid utsidan av en rak del av kyvettröret (12) och att det optiska elementet (26) är ett ljussamlande element, exempelvis i form av en pá kyvettröret (12) monterad hylsa, som är tillverkad av exempelvis kvarts eller plexiglas och anordnad att fokusera det i kyvettröret (12) passerande fluorescensljuset mot fotodetektorn (18).

3. Anordning enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att det optiska elementet (26) väsentligen har fonnen av en stympad massiv rotationsellipsoid.

4. Anordning enligt kravet 1 eller 2, varvid det optiska elementet väsentligen har formen av en stympad, massiv rotationsparaboloid, k ä n n e t e c k n a d av att en lins är anordnad för fokusering av från rotationsparaboloiden utpasserande ljusstrálar mot fotode- tektorn.

5. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att det optiska elementet (46) består av två komponter, nämligen en väsentligen halvsfärisk massiv kropp (48), som är i optisk kontakt med kyvettröret (12) och ett för ljusfolmsering avsett, invändigt speglan- de rotationsellipsoidiskt skal (50), varvid den massiva kroppen (48) med sin buktiga yta inskjuter i skalet (50) vid dettas smalare ände.

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att fotode- tektorn (18) är belägen vid utsidan av en rak del av kyvettröret (12).

7. Anordning enligt kravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett spegelelement (34; 36) med en spegelyta (44), som är belägen mellan det optiska elementet 10 15 20 503116 8 (26; 28; 46) och fotodetektorn (18) för att rikta det fluorescerande ljuset mot den vid sidan av kyvettröret (12) befintliga fotodetektorn ( 18).

8. Anordning enligt kravet 7, k ä n n e t e c k n a d av att spegelelementet (36) är integrerat med det optiska elementet (28).

9. Anordning enligt kravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att den av spegelelementet (36) och det optiska elementet (28) bestående integrerade enheten är försedd med ett centralt beläget hål (38, 40), i vilket åtminstone delvis inskjuter ett rör (42), som omsluter kyvettröret (12).

10. Anordning enligt något av kraven 1-9, k ä n n e t e c k n a d av att ett spärrfilter (32) är anordnat mellan det optiska elementet (26; 28; 46) och fotodetektorn ( 18) för elirninering av ljus av icke önskade våglängder, varvid, vid eventuellt förekommande spegelelement (36), spärrfiltret (32) är anordnat efter spegelelementet (36), sett i strål- riktningen.

11. Anordning enligt något av kraven 1-10 i kombination med en anordning för UV-absorptionsdetektering, varvid UV-detekteringsanordningen innefattar en ljuskälla, som är anordnad vid utsidan av kyvettröret för att huvudsakligen tvärs kyvettrörets längd- riktning sända ljus in i detsamma, samt en på kyvettrörets diametralt motsatt belägna sida anordnad fotodetektor för detektering av UV-ljus, som passerat genom provmediet i kyvettröret, k ä n n e t e c k n a d av att samma ljuskälla utnyttjas för både fluorescens- och UV-absorptionsdetektering.

12. Anordning enligt kravet 11, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en utbytbar kassett, i vilken delar av anordningen, t. ex. kyvettrör, optiskt element och spegelelement, ingår.