ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer. Insbesondere betrifft sie
ein verbessertes, speziell für die optische Analyse von Proben in einem
Zentrifugalanalysator geeignetes Spektrophotometer.
Stand der Technik
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Spektrophotometer sind an sich bekannt; sie bestehen aus mehreren
Hauptteilen. Die Lichtquelle umfaßt gewöhnlich eine oder zwei ein Kontinuum
aussendende Lampen, z. B. Halogen-, Deuterium-, Quecksilberbogen- und/oder
Xenon-Lampen. Als Dispersionsmittel werden Prismen oder Gitter verwendet.
Als Detektoren dienen im allgemeinen Photomultiplier oder
Siliziumphotodioden. Die zahlreichen Arten verwendbarer Einzelelemente und die
verschiedenen möglichen Zusammenstellungen können auf verschiedenartige Weise
für den Aufbau eines Spektrophotometers kombiniert werden, das die für
einen vorgesehenen speziellen Einsatz erforderlichen Eigenschaften besitzt.
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Der Nachteil bekannter Spektrophotometer ist vor allem in der verwendeten
Lichtquelle und dem verwendeten Monochromator zu sehen. Insbesondere bei
Spektrophotometern, die in Zentrifugalanalysatoren eingesetzt werden, ist
es zweckmäßig, eine Lichtquelle nach Art einer Blitzlampe zu verwenden, um
äußerst schnelle Absorptionsmessungen durchzuführen. Zwar ist die
Wolfram-Halogen-Lampe zweifellos die am häufigsten verwendete Lichtquelle für
Messungen im Sichtbaren, sie hat aber folgende an sich bekannten
Nachteile:
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a) sehr geringe Emission von Ultraviolett-Licht;
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b) sehr starke Variation der Lichtintensität im nutzbaren Spektrum;
die Lichtintensität bei 290 nm ist ungefähr 900mal geringer als bei 700 nm;
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c) der Anteil von Störlicht ist erheblich, was zur Folge hat, daß
kostspielige Sperrfilter vorgesehen werden müssen;
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d) das System zum Ausgleich der Variation der Lichtintensität mit der
Wellenlänge muß einen weiten Dynamik-Bereich besitzen;
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e) die Nutzungsdauer ist verhältnismäßig gering;
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f) die Lichtleistung ist verhältnismäßig niedrig;
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g) der Leistungsverlust ist erheblich; und
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h) die Stromversorgung für die Lampe ist verhältnismäßig schwer und
umfangreich.
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Um die mit der Anwendung der genannten Lampenarten verbundenen Nachteile
zu verringern, kann das Licht von Lampen geliefert werden, die
unterschiedliche Arten elektrischer (Blitz-) Entladungen erzeugen, z. B. Xenon-,
Quecksilber- oder Argon-Lampen. Xenonlampen bieten das gleichförmigste
Spektrum, und ihre Lichtausbeute ist viel größer als die von
Wolframdrahtlampen. Diese Lampen werden aber gewöhnlich für Leistungen von mehr als
100 W geliefert und lassen sich nur sehr schwer kühlen. Außerdem nehmen
die Stromversorgungs- und Montageeinrichtungen sehr viel Platz in
Anspruch, und sind sehr kostspielig.
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Der Gittermonochromator ist ein bevorzugtes Gerät für die kontinuierliche
Änderung der Wellenlänge. Der Anteil des Störlichts aus dem Komplex Lampe
und Monochromator muß jedoch sehr niedrig bleiben, z. B. weniger als 1. 10&supmin;&sup4;
betragen, wenn Messungen mit niedrigem Linearitätsfehler (z. B. weniger als
1,5% bis zu einer der 1000fachen Schwächung entsprechenden Absorption 3)
angestellt werden sollen. Um derartige Leistungen zu erzielen, werden
gewöhnlich Doppelmonochromatoren eingesetzt, weil Monochromatoren mit
einfachem Gitter einen zu hohen Anteil Störlicht liefern.
Doppelmonochromatoren sind jedoch teuer, brauchen Platz und erfordern verhältnismäßig viel
Zeit für ihre Justierung.
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In dem US-Patent 3 810 696 wird ein Spektrophotometer beschrieben, das
eine Blitzröhre und ein Interferenzfilter oder einen Monochromator aufweist,
um zwei Lichtstrahlen zu erzeugen, von denen der erste durch eine zu
analysierende Probe verläuft und der zweite auf einen Detektor fällt, der ein
der Intensität des zweiten Strahls entsprechendes Bezugssignal liefert.
Das US-Patent 4 241 998 beschreibt ein Spektrophotometer, das insbesondere
für die optische Analyse von Proben in einem Zentrifugalanalysator
bestimmt ist. Das Spektrophotometer umfaßt eine Blitzröhre, eine
stabilisierende optische Vorrichtung zum Herleiten eines Lichtstrahls mit
konstanter
räumlicher Aufteilung von jedem Blitz aus der Blitzröhre, einen
Gittermonochromator zum Zerlegen des von der stabilisierenden Vorrichtung
abgegebenen Lichts und zum Abgeben eines Strahls von gefiltertem Licht,
ein optisches Element zum Aufteilen des gefilterten Strahls zur Erzeugung
von zwei Strahlen, von denen der erste durch eine zu analysierende Probe
verläuft und der zweite auf einen Detektor fällt, der ein der Intensität
des zweiten Strahls entsprechendes Bezugssignal abgibt, und einen zweiten
Detektor für die Aufnahme des aus der Probe austretenden Strahls.
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Ferner ist aus US-A-3 973 118 ein elektrooptisches System mit einem Aufbau
von optischem Detektor und Spektralanalysator bekannt, bestehend aus einem
Detektoraufbau mit einer Mehrzahl Photodetektoren, die jeweils mit einem
anderen optischen Schmalbandfilter bedeckt sind und die jeweils aktiviert
werden, wenn eine Quelle von dem optischen Schmalbandfilter zugelassener
elektromagnetischer Energie vorliegt, wodurch einzelne Komponenten der
elektromagnetischen Energie gleichzeitig und fast augenblicklich durch
Vergleich mit den bekannten Durchlaßeigenschaften des genannten optischen
Schmalbandfilters identifiziert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung stellt eine Verbesserung an einem Spektrophotometer der oben
beschriebenen Art dar, die viele der bei diesen üblichen Geräten
vorliegenden Probleme ganz oder teilweise beseitigt.
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Einerseits stellt die Erfindung gemäß Anspruch 1 den Aufbau einer
Photodiodengruppen dar. Andererseits stellt die Erfindung gemäß Anspruch 2 ein
spektralphotometrisches optisches System dar.
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Insbesondere zeigt die Erfindung einen neuartigen Aufbau einer
Photodiodengruppe als Detektor, der insbesondere zur Verwendung in einem optischen
System eines Mehrwellenlängen-Spektrophotometers mit geringer
Absorptionsbreite geeignet ist. Ein derartiges Spektrophotometer wird insbesondere in
Analysenautomaten für klinische Zwecke eingesetzt, wie sie gewöhnlich in
medizinschen Laboratorien verwendet werden. Die große Bedeutung der
medizinischen Analyse erfordert ein hochempfindliches Nachweissystem zur
Bestimmung verschiedener, klinisch wichtiger Substanzen in biologischen
Proben, z. B. in Blutserum, Urin, Rückenmarks-Flüssigkeit und dergleichen.
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Die günstige Wirkung der hohen Empfindlichkeit wird beeinträchtigt durch
die geringe Probenmenge und den hohen Absorptionsgrad von biologischen
Proben. Demgegenüber erreicht die Erfindung eine Erhöhung der
Empfindlichkeit an der Photodiodenfläche durch spezielle Steuerung der Komponenten
des auf die einzelnen Photodioden der Photodetektorgruppe auftreffenden
Lichts, ohne daß dabei Doppelgittergeräte oder andere bekannte,
verhältnismäßig komplizierte und teure Einrichtungen eingesetzt werden müßten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein verbessertes
Spektrophotometer gemäß der Erfindung:
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eine Blitzlampe;
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einen Gittermonochromator zum Zerlegen des von der Blitzlampe
ausgehenden Lichts und zur Abgabe eines Strahls von gefiltertem Licht, das eine
Probe zu Analysenzwecken durchläuft; und
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einen Detektor, der so angeordnet ist, daß er den von der Probe
ausgehenden Strahl auffangen kann. Die erfindungsgemäße Verbesserung umfaßt
auch den Detektor, der einen Photodiodengruppenaufbau aufweist, bestehend
aus:
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a) einer Mehrzahl von einzelnen, in einer ersten Ebene angeordneten
Photodioden;
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b) einer im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene und angrenzend
an die Mehrzahl von Photodioden in der Weise angeordneten Mehrzahl von
einzelnen Spektralfiltern, daß das durch jedes einzelne Spektralfilter
hindurchtretende Licht auf nur eine der einzelnen Photodioden trifft;
und
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c) einer Einrichtung zum Herabsetzen von Streulicht, welche
Einrichtung im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene und angrenzend an die
Mehrzahl von einzelnen Spektralfiltern in der Weise angeordnet ist, daß
die Einrichtung sich oberhalb jeder der einzelnen Photodioden befindet,
und welche Einrichtung zum Herabsetzen von Streulicht in der Lage ist, das
spektrale Durchlaßband und die zentrale Wellenlänge des auf die einzelnen
Photodioden treffenden Lichts zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein perspektivisches Zerlegbild, das die Komponenten eines
bevorzugten optischen Detektors zeigt, der bei einem erfindungsgemäßen
Spektrophotometer verwendet werden kann;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten
Detektors, jedoch in zusammengesetztem Zustand;
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Fig. 3 ist ein Teilschnitt des zusammengesetzten Detektors nach Fig. 2
in größerem Maßstab zur Verdeutlichung von Einzelheiten des Aufbaus;
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Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Aufbauschema mit dem
Detektor gemäß Fig. 1 bis 3 und weiteren Komponenten eines verbesserten
optischen Systems eines nach den Lehren der Erfindung aufgebauten
Spektrophotometers.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bietet Verbesserungen an einem Spektrophotometer, das
insbesondere einzusetzen ist an einem Zentrifugalanalysator für
klinisch-chemische Zwecke, mit einem mit hoher Drehzahl, z. B. ungefähr 1800 min&supmin;¹,
umlaufenden Rotor, der kleinvolumige Proben und/oder Reagenzien zur Analyse
dieser Proben aufnimmt. Ein derartiges Spektrophotometer hat im Idealfall
folgende Eigenschaften:
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1) die Fähigkeit zum Messen der Absorption von in Analysezellen
befindlichen flüssigen Proben bei einer Rotation der Zellen mit etwa
1800 min&supmin;¹;
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2) kurze Dauer der Messung zahlreicher Proben in dem Rotor, d. h.
weniger als etwa 350 ms;
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3) für jede Messung verfügbare Zeit von weniger als etwa 5 us;
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4) Messung kleiner Volumina flüssiger Proben, d. h. in der
Größenordnung von 200 ul;
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5) stetige Wahl von Wellenlängen zwischen etwa 340 und 640 nm;
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6) eine Bandbreite von etwa 8 nm;
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7) einen großen Meßbereich der Absorption d. h. von 0,0 bis 3,0;
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8) verhältnismäßig geringe Abmessungen, so daß beispielsweise der
Einbau in einen Laboratoriums-Bank- oder -Tisch-Analysator möglich ist;
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9) weist zur erheblichen Verbesserung der Betriebssicherheit keine
bewegten Teile auf; und
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10) besitzt zur Vereinfachung der Herstellung und Verbesserung der
Betriebssicherheit eine möglichst geringe Zahl zu justierender optischer
Elemente.
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Die obengenannten Merkmale sind besonders wichtig für automatische Geräte,
um die zwischen normalen und pathologischen Fällen auftretenden
beträchtlichen
Unterschiede der Absorption von Proben des untersuchten
biologischen Materials überbrücken zu können - z. B. zwischen einem lipämischen
und einem normalen Serum. Ein Gerät, das die vorgenannten Eigenschaften
besitzt, ist in den noch anhängigen US-Patentanmeldungen Serial-Nr.
606 785, 606 786 und 606 787 (Anmeldetag: 3. Mai 1984) beschrieben, auf
deren Offenbarungsinhalt ausdrücklich verwiesen wird (Veröffentlichungen
Nr. EP-A-160 283, EP-A-160 901).
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Außerdem bietet das mit der vorliegenden Erfindung verbesserte
Zentrifugal-Analysengerät die Reproduzierbarkeit von Messungen, die den
Erfordernissen von Enzymreaktionen entspricht. Das bezieht sich auf die
Reproduzierbarkeit von Messungen der Absorption an einer Einzelprobe. Besonders
wichtig ist das für kinetische Verfahren. Bei diesen Verfahren verläuft
die Absorptionsänderung langsam, d. h. die Messungen können beschleunigt
werden, wenn die Reproduzierbarkeit gut ist. Bei diesen Verfahren ist auch
der Absorptionsgrad manchmal recht hoch (1,7 bis 2,2). Daher muß die
Reproduzierbarkeit in einem großen Absorptionsbereich hervorragend sein, ein
Merkmal, das durch die Erfindungen verwirklicht ist.
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Gemäß der Erfindung wird auch eine ausgezeichnete Linearität zwischen
Absorption und Konzentration über einen großen Absorptionsbereich erreicht.
Diese Linearität vereinfacht die Verwendung des Geräts, weil eine
Eichkurve entbehrlich ist. Linearität läßt sich bei hoher Absorption,
insbesondere im Ultraviolett, nur schwer erreichen und hängt von der Reinheit des
monochromatischen Lichts ab, d. h. von dem Anteil von Störlicht, der
definiert ist als das Verhältnis der Intensität (a) von außerhalb des
gewählten Spektralbereichs emittierten Restlichts zu der Intensität (b) des
Lichts innerhalb des gewählten Spektralbereichs.
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Außerdem wird im Rahmen der erfindungsgemäßen Verbesserungen zur
Herabsetzung der Abmessungen und des Preises eines üblichen Spektrophotometers
eine mit üblicher Elektronik ausgestattete Photodiodengruppe als Detektor
verwendet.
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Die genannte photometrische Leistung in einem Zentrifugalanalysator führt,
wenn sie innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Meßzeit erreicht werden
soll, zu speziellen technischen Schwierigkeiten hinsichtlich des
erforderlichen Rauschabstands und der Herstellung eines Lichtstrahls, der die
geforderte spektrale Reinheit für die anschließende Auswertung durch die
Geräteelektronik besitzt. Da gewöhnlich gefordert wird, reproduzierbare
Messungen mit einer etwa 1000fachen maximalen Signaldämpfung durch die Probe
vorzunehmen, ist es gewöhnlich erforderlich, daß der Rauschabstand bei
Absorption Null mindestens 2.10&supmin;&sup5; beträgt. Da die Meßzeit sehr kurz ist
(weniger als 5 us), wird ein Verstärker mit großem Durchlaßbereich benötigt,
der das Einhalten des geforderten Rauschabstands erschwert, weil
bekanntlich das Rauschen mit der Durchlaßbreite des Verstärkers zunimmt. Die
Wirkung dieses Rauschens ist beträchtlich, verglichen mit der Wirkung des
Rauschens in gewöhnlichen Spektrophotometern, in denen der Einfluß des
Rauschens auf die Meßergebnisse durch Integration der gemessenen Signale
über eine oder mehrere Sekunden herabgesetzt werden kann. Die Erzielung
eines ausreichenden Rauschabstands wird noch dadurch erschwert, daß es
gewöhnlich erwünscht ist, mit Silizium-Photodioden zu arbeiten; die
Kombination einer Photodiode mit einem Verstärker ruft mehr Rauschen hervor als
ein auf niedrigem Signalpegel arbeitender Photomultiplier. Das gilt
insbesondere für Wellenlängen unterhalb 400 nm zur Messung hoher
Absorptionswerte (A = 3), weil Silizium-Photodioden in diesem Spektralbereich
niedrigere Empfindlichkeit haben als Photomultiplier.
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Weitgehend übliche elektronische Analog/Digital-Umwandlungsschaltungen
werden benutzt, um Stromsignale von dem Detektor in digitale
Informationssignale umzuwandeln, die mit zugeordneten mikroprozessorgesteuerten
Schaltungen gelesen werden können.
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Um die oben angegebenen photometrischen Eigenschaften zu erhalten, muß der
von dem Monochromator gelieferte Lichtstrahl sehr hohe spektrale Reinheit
besitzen, damit die bekannten Probleme der Nichtlinearität infolge
Störlicht- und Bandbreiteneinfluß vermieden werden. Es gibt gewisse
Schwierigkeiten, einen Lichtstrahl zu erzeugen, der die für photometrische Zwecke
erforderliche Spektralreinheit besitzt, wenn Preis und Größe des
Spektrophotometers gleichzeitig verringert werden müssen. Zu diesem Zweck wird
gemäß der Erfindung der Störlichtanteil auf einen Wert von annähernd
1.10&supmin;&sup4; bei einer Wellenlänge von 340 nm herabgesetzt, wobei ein
Detektoraufbau benutzt wird, der eine Photodiodengruppe aufweist, eine
Mehrwellenlängen-Spektralfilter-Anordnung zwischen der Photodiodengruppe und der
Lichtquelle und eine Einrichtung zum Herabsetzen von Streulicht aus der
Lichtquelle, bevor dieses auf die Spektralfilteranordnung trifft.
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In den Zeichnungen, insbesondere in den Fig. 1 bis 3, ist ein
bevorzugter, erfindungsgemäßer Photodiodengruppen-Detektoraufbau insgesamt mit 10
bezeichnet. Der Aufbau 10 besteht hauptsächlich aus einer
Photodiodengruppe 12, einer Spektralfilteranordnung 14 und einer Einrichtung 16 zum
Herabsetzen von Streulicht. Die Spektralfilteranordnung 14 umfaßt eine
Mehrzahl von optisch einwandfreien Glasfiltern 18, die einzeln ausgesucht
werden hinsichtlich ihrer vorgewählten Transmissions-Eigenschaften in
Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge, bei der von den einzelnen Photodioden
der Photodiodengruppe 12 unter dem jeweiligen Filter gemessen werden soll.
Die Filter 18 sind so angeordnet, daß die vier senkrecht zu der Gruppe 12
verlaufenden, mit 20 bezeichneten Kanten jedes einzelnen Filters von einem
optisch undurchsichtigen, schwach lichtdurchlässigen Material 12a, etwa
'black epoxy', umgeben sind. Das undurchsichtige Material 12a schirmt die
Seiten jedes einzelnen optischen Filters 18 wirkungsvoll gegen nicht auf
die gewählten Oberflächen jedes Filters treffendes Licht ab. Das
undurchsichtige Material 12a hält in dieser bevorzugten Ausführungsform auch die
einzelnen Filter 18 in gewünschter ebener Anordnung zusammen. Die
Filteranordnung 14 liegt, wie gezeichnet, in einer Ebene, die im wesentlichen
parallel zu der Photodiodenanordnung 12 verläuft, und in dem Strahlenweg
des von einer Lichtquelle ausgehenden Lichts, so daß jedes einzelne Filter
18 einer entsprechenden Photodiode der Gruppe 12 zugeordnet ist. Die
Mittel 16 zum Herabsetzen von Streulicht, das seinen Ursprung außerhalb der
Spektralfilteranordnung 14 hat, das aber nicht von dem die Seiten jedes
einzelnen optischen Filters abdeckenden undurchlässigen Material
abgeschirmt wird, bestehen in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
aus einer aus flach-schwarz anodisiertem Metall oder einem anderen
geeigneten Material bestehenden "Maske", die eine Mehrzahl enger Schlitze
aufweist, die oberhalb der Mittellinie des Oberflächenbereichs jeder
Photodiode der Gruppe 12 angeordnet sind. Die Einrichtung 16 zum Herabsetzen
von Streulicht liegt gemäß der Zeichnung in einer im wesentlichen parallel
zu der Ebene der Filteranordnung 14 verlaufenden Ebene und bedeckt die
Filter 18. Die Einrichtung 16 zum Herabsetzen von Streulicht bestimmt
auch die zentrale Wellenlänge des auf die einzelnen Photodioden der Gruppe
12 auftreffenden Lichts infolge ihrer Lage quer in dem gebündelten
Lichtspektrum. Die Breite der Schlitze 22 in der Einrichtung 16 dient außerdem
in mehr oder weniger großem Umfang zur Bestimmung des Durchlaßbereichs des
Spektrophotometers. Die Breite der Schlitze 22 der Einrichtung 16 dient
ferner zum Normieren von Signalunterschieden, die von
wellenlängenabhängigen
Wirkungsgradschwankungen herrühren (z. B. verursacht durch die
Lichtquelle, den Wirkungsgrad des Spektralgitters, den Wirkungsgrad der
Photodiode und die Transmission der Filteranordnung 14).
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Zur bevorzugten Herstellung der Detektoraufbaus 10 werden die
Photodiodengruppe 12, die Filteranordnung 14 und die Einrichtung 16 zur Herabsetzung
von Streulicht, wie in den Fig. 1 und 2 angedeutet, auf eine passende
Grundplatte 24 gesetzt, die eine Mehrzahl elektrisch leitende
Metallkontakte 26 für die elektrische Verbindung bei in Gebrauch befindlichem
Aufbau 10 mit einer weitgehend üblichen Schaltung aufweist, die in
fachüblicher Weise geeignet ist, von der Photodiodengruppe 12 nach Maßgabe von
auftreffendem Licht erzeugte Ausgangssignale zu empfangen und umzuwandeln.
In einem speziellen Fall kann die Umwandlung z. B. zu einer Ziffernausgabe
erfolgen, die der Absorption von Licht durch einen Bestandteil einer zur
Analyse vorgelegten Probe biologischen Materials entspricht. Die Kontakte
26 sind an der Grundplatte 24, die aus Keramik, Phenolharz oder sonstigem
geeigneten, handelsüblichem dielektrischem Werkstoff besteht, in an sich
bekannter Weise befestigt, so daß sie mit dem Ausgangsteil der einzelnen
Photodioden der Gruppe 12 (Fig. 3) elektrisch verbunden sind.
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Wie Fig. 3 am deutlichsten zeigt, berühren die einzelnen Filter 18 die
Photodioden der Gruppe 12, und die Einrichtung 16 zum Herabsetzen von
Streulicht berührt über der Gruppe 12 die Filter 18, so daß die Schlitze 22
einen Weg für einfallendes Licht (wie durch die Pfeile angedeutet) durch die
Einrichtung 16, die Filter 18 und auf die Dioden der Gruppe 12 bilden. Das
undurchsichtige Material 12a bewirkt jedoch, daß alles einfallende Licht
nach seinem Eintritt in einen speziellen Schlitz 22 daran gehindert wird,
auf eine der Photodioden der Gruppe 12 zu fallen, die nicht absichtlich
unmittelbar unter diesen Schlitz gesetzt ist. Eine derartige bevorzugte
erfindungsgemäße Konstruktion hat sich im Experiment als geeignetes Mittel
erwiesen, das "Nebensprechen" oder die Wirkung dieses auf eine nicht dazu
vorgesehene Diode auftreffenden Lichts auf einen Betrag von weniger als
etwa 60 ppm zu reduzieren.
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Fig. 4 der Zeichnung zeigt einen insgesamt mit 28 bezeichneten bevorzugten
Aufbau eines verbesserten optischen Systems eines Spektrophotometers der
oben angegebenen Art, der der Lehre der Erfindung folgt. Das System 28
entspricht offensichtlich weitgehend der üblichen Bauweise, abgesehen von
dem Detektoraufbau 10. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, daß das
System 28 in ein übliches Optikgehäuse eingebaut werden kann, vorzugsweise
aber in ein Aluminiumgußgehäuse eingesetzt wird, das in der Weise
bearbeitet ist, daß eine erste Fläche des konkaven Beugungsgitters sich in einem
kritischen Abstand sowohl von dem Eintrittsspalt des Gehäuses, durch den
das von der Probe ausgehende Licht hindurchtritt, als auch von dem
Detektoraufbau befindet. Diese Konstruktion verbindet die einfache Herstellung
mit einer genauen optischen Einstellung. Außerdem erfolgt die gesamte
Bearbeitung des Gußteils zur Verbesserung der Toleranzwerte von ein und
demselben Ende aus. Das System 28 umfaßt den Detektoraufbau 10, ein konkaves
holographisches Gitter 30 (Instruments, S.A.Inc.Metuchen, New Jersey),
einen optischen Eintrittsspalt 32, eine Kollimatorlinse 34, einen Behälter
36, etwa eine Glas- oder Kunststoffampulle oder -küvette, die eine in dem
Spektrophotometer zu analysierende flüssige Probe oder ein Chemikal 38
enthält, eine Beleuchtungslinse 40 und eine Lichtquelle 42. Die Linsen 34
und 40 bestehen aus geschliffenem optischen Glas und entsprechen den
üblicherweise in spektrometrischen Geräten verwendeten Linsen, erhältlich bei
Melles Griot. Die Lichtquelle 42 ist eine Xenonlampe zur Erzeugung von
Lichtimpulsen von etwa 2,3 us Dauer, was beträchtlich weniger ist als die
Zeit, während welcher sich eine Probe bei einem schnellaufenden, z. B. mit
einer Drehzahl von 1800 min&supmin;¹ rotierenden Rotationsanalysator in der
Lichtstrahlachse befindet. Die Xenonlampe ist eine Kolbenlampe und hat
eine Leistung von etwa 7 W. Wenn die je Blitz freigesetzte Energie
0,3 Joule für die Dauer von 2,3 us beträgt, ist die während dieser 2,3 us
abgegebene mittlere Leistung äquivalent derjenigen einer ständig
brennenden 130 kW-Xenonlampe. Offensichtlich liegt also eine Erhöhung des
Lichtpegels mit daraus sich ergebendem erhöhtem Rauschabstand vor, wenn eine
Impuls-Lampe wie die Lichtquelle 42 verwendet wird. Jedoch ist der
Detektor, wie bereits erwähnt, so aufgebaut, daß diese und die oben
beschriebenen anderen Schwierigkeiten an üblichen Spektrophotometern bei Anwendung
der erfindungsgemäßen Lehre ganz oder fast ganz überwunden sind.
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Zum Gebrauch des Detektoraufbaus 10 in dem optischen System 28 wird von
der Lichtquelle 42 ausgehendes Licht von der Linse 40 durch den die Probe
38 enthaltenden Behälter 36 geleitet. Bekanntlich absorbieren bestimmte
Bestandteile der Probe 38 bestimmte Wellenlängen des von der Lichtquelle
42 ausgesandten Lichts, und andere Wellenlängen werden von diesen
emittiert und fallen in die Linse 34. Die Linse 34 fokussiert die emittierten
Lichtwellenlängen durch den Spalt 32 hindurch auf das Gitter 30. Das
Gitter 30 seinerseits zerlegt und reflektiert das von dem Spalt 32 ausgehende
Licht, das danach auf den Detektoraufbau 10 trifft, wo die
Lichtintensitäten, wie oben beschrieben, nachgewiesen und in elektrische Signale
umgewandelt werden, die kennzeichnend sind für das Vorhandensein und/oder die
Menge von Bestandteilen in der Probe 38.
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Die Einzelteile des Detektoraufbaus 10 können wie folgt gewählt werden:
Als Filter 18 werden vorzugsweise die handelsüblichen Filter der Hoya
Optical Company eingesetzt. Die Filter, die beispielsweise für eine in
erster Linie bevorzugte Ausführung der Erfindung ausgewählt wurden, sind
im Handel unter der Bezeichnung V-340, B-440, Y-50, Y-52 und O-56
erhältlich. Diese Filter haben allgemein bekannte Werte der optischen
Transmission und Absorption. Es können auch über die oben beschriebenen
hinausgehende optische Verbesserungen vorgenommen werden. Sollen Schmalband-
Interferenzfilter anstelle der obenbeschriebenen "Sperrfilter" verwendet
werden, sind Filter von Microcoating Laboratories vorgesehen; diese Filter
verursachen aber zusätzliche Kosten. Die Filter werden vorzugsweise auf
eine Größe von etwa 4 mm Länge, 0,8 mm Breite und 0,8 mm Höhe
zugeschnitten, und danach werden einige dieser Filter, die verschiedene Wellenlängen
durchlassen können (je nachdem, welche Wellenlängen schließlich auf die
einzelnen Photodioden, mit denen zusammen die Filteranordnung verwendet
werden, auftreffen sollen) zu einer linearen Gruppe zusammengefaßt, wie
eingangs beschrieben.
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Das zwischen den Filtern verwendete optisch undurchsichtige Material kann
z. B. ein black epoxy sein, das bei Epoxy Technology, Inc., Billerica, MA,
unter der Bezeichnung EPO-TEX 320 erhältlich ist. Dieses Material wird
vom Hersteller beschrieben als ein Zweikomponenten-Black Epoxy, bei
Raumtemperatur aushärtend, von dem eine Folie von 0,012 mm (0,0005 inch) Dicke
in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1 um weniger als 0,0001%
Licht durchläßt. Die vollständigen Angaben über die Art der Verwendung
dieses Materials für die Bildung der im Rahmen der Erfindung eingesetzten
Filteranordnung sind bei dem genannten Hersteller erhältlich.
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Als Photodiodengruppe 12 kann jede handelsübliche Anordnung verwendet
werden, die zum Gebrauch z. B. in optischen Spektrophotometersystemen
vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft zur Verwendung im Rahmen der Erfindung
sind die von der Hamamatsu Corporation, Middlesex, NJ, hergestellten
Mehrelement-Silizium-Detektoren.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung hat es sich als
vorteilhaft für die Herabsetzung von elektronischem Nebensprechen
innerhalb der Photodiodengruppe selbst erwiesen, daß zwischen den für die
Abgabe von Signalen vorgesehenen Photodioden eine an sich entbehrliche
Photodiode vorgesehen ist. Diese an sich entbehrliche oder "Dummy"-Diode muß
notwendigerweise außen elektrisch kurzgeschlossen sein. Die Verwendung der
kurzgeschlossenen Dummy-Diode kann das elektronische Nebensprechen um
einen Faktor von etwa 500 herabsetzen. Eine weitere Herabsetzung von
Nebensprechen läßt sich erreichen, indem tiefe Nuten um die Signaldioden geätzt
werden, wie beschrieben von Kim et al in Optical Engineering, Bd. 22, Nr. 5,
S. 656, 1983.
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Nachstehend werden Kennwerte einer bevorzugten Detektorgruppenanordnung
beschrieben, die gemäß der Lehre der Erfindung hergestellt ist. Das
Beispiel soll nur beispielshalber die Merkmale eines derartigen Detektors
darstellen und außerdem die Herstellung und Benutzung einer solchen
Vorrichtung lehren, soll aber keinerlei Beschränkung der Erfindung bedeuten,
deren Umfang sich allein aus den Patentansprüchen ergibt.
Beispiel BEVORZUGTE DETEKTOR-ANORDNUNG
Filter Nr. Abstand von #1 Mittellinie Wellenlänge (nm) Hoya Filter Nr.
Physikalische Eigenschaften
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Detektorbreite 0,640 mm ± 0,025 mm Detektorhöhe 4,20 mm ± 0,025 mm
keine Toleranzsummen, Toleranz des Mittellinienabstands ± 0,025 mm
Einzelfiltergröße 0,8 mm Breite·0,8 mm Dicke·3,8 mm Länge, ± 0,1 mm
Baugruppe: 16 Stift Standard-DIP-Gehäuse, Keramik
Elektrische Eigenschaften
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Empfindlichkeit: besser als 0,3 A/W bei 600 nm, 0,15 A/W bei 350 nm,
Optimum bei 340 nm
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Gleichmäßigkeit: ± 5% auf jedem Kanal, ± 10% von Kanal zu Kanal auf
einem Einzelchip
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Anstiegszeit: maximal 1 us (330 nm bis 700 nm in 50 Ohm)
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Nebensprechen: 0,005% bei 0 V Vorspannung, 5 us-Impuls von 330 bis
700 nm
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Dunkelstrom: weniger als 50 pA bei 37ºC (10 mV in Sperrichtung)
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Betriebstemperatur: 20ºC bis 50ºC
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Rauschstrom: weniger als 5.10&supmin;¹&sup4; A eff./H1/2 bei 37ºC
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Es ist festzustellen, daß gemäß der Erfindung Verbesserungen an einem
Spektrophotometer für Allgemeingebrauch vorgenommen werden können, z. B. an
einem Spektrophotometer ohne bewegte mechanische Teile, und daß sich
Vorteile aus der gemeinsamen Anwendung einer Blitzlampe und des
obenbeschriebenen Detektors ergeben. Definitionsgemäß kann dieses Spektrophotometer
aber auch zum Messen von Transmission und Absorption an einer großen
Vielfalt von Proben in einem gegebenen Spektralbereich verwendet werden, z. B.
zur konventionellen Messung von für klinisch-chemische Analysen benutzten
Lösungen in ruhender oder bewegter Zelle.
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Soweit in einem Anspruch technische Merkmale mit Bezugszeichen versehen
sind, wurden diese Bezugszeichen allein zur Verdeutlichung der Ansprüche
beigefügt, und diese Bezugszeichen bedeuten keinerlei Einschränkung für
den Bereich eines Elements, das durch derartige Bezugszeichen
beispielshalber identifiziert wurde.