DE69016027T2

DE69016027T2 - Optischer Lesekopf für eine Immunoassay Vorrichtung.

Info

Publication number: DE69016027T2
Application number: DE69016027T
Authority: DE
Inventors: Mark Bowen; Stephen Fantone; Bruce Miller
Original assignee: Behring Diagnostics Inc
Current assignee: Dade Behring Inc
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: ATE117080T1; ES2069740T3; EP0486504A1; JP2653722B2; US4945250A; CA2018858A1; CA2018858C; WO1991000994A1; DE69016027D1; DK0486504T3; JPH03503453A; EP0486504B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Fluoreszenzmesser, und insbesondere betrifft die Erfindung ein kostengünstiges und äußerst wirksames optisches System für einen Doppelkanal-Fluoreszenzmesser für ultraviolettes und sichtbares Licht in einem Immunprobeninstrument, und außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fluoreszenzspektroskopie, wie in der Parallelanmeldung EP-A-0 438 550 angegeben.
Fluoreszenzmesser haben eine weite Verbreitung bei der klinischen Analyse von Blut und anderen biologischen Flüssigkeiten gefunden. Im allgemeinen benutzen Fluoreszenzmesser ein optisches System, um eine flüssige Probe oder eine Probe, die einen fluoreszierenden Farbstoff oder ein gekennzeichnetes Material enthält, der Lichtenergie mit einer ersten Wellenlänge auszusetzen und eine Emission fluoreszierenden Lichtes bei einer längeren Wellenlänge von der Probe zu veranlassen. Die Intensität der fluoreszierenden Emission zeigt das Vorhandensein oder die Menge einer Substanz in der untersuchten Probe an. Weil die von derartigen biologischen Flüssigkeitsproben absorbierte und emittierte Lichtmenge klein ist, sind die herkömmlichen Fluoreszenzmesser mit einer Ultraviolett-Lichtquelle mit hohem Ausgang und einem Photovervielfacher ausgestattet, um zuverlässige Testergebnisse zu erhalten.
Ultraviolett-Lichtquellen mit hoher Leistung, beispielsweise Xenon-Bogenlampen oder Laser, sind nicht nur kostspielig, sondern haben auch den Nachteil, daß sie erhebliche Hitze erzeugen, wodurch die Proben beschädigt werden können, ferner erzeugen sie Lärm, sie bleichen fluoreszierendes Material aus, und sie erfordern komplexe und teure Steuersysteme. Es ist bekannt, weniger kostspielige Ultraviolett- Quellen mit relativ niedriger Leistung und einem breiten Lichtband zu benutzen, beispielsweise Wolfram-Halogenlampen und Filter, jedoch ist die Ausgangsleistung mit einem Ultraviolett-Bandpaßfilter so niedrig, daß das fluoreszierende Licht, welches von der Probe emittiert wird, schwer festzustellen ist. Bisher wurde die Schwierigkeit der Fluoreszenzlichtfeststellung ausschließlich unter Benutzung extrem empfindlicher Photovervielfacher ausgeräumt, wodurch auch noch geringe Pegel von Fluoreszenz erfaßt werden konnten, die von der Probe emittiert wurden. Photovervielfacherröhren sind teuer und zerbrechlich, und sie erfordern eine relativ komplexe Steuerschaltung, obgleich sie zur Strahlungsdetektion und selbst zum Zählen von Photonen gut geeignet sind.
Aus diesen Gründen besteht ein Bedarf nach einem verbesserten optischen Fluoreszent-Meßsystem, welches die gewünschte Analyse liefert, ohne daß es nötig wäre, Ultraviolett-Lichtquellen hoher Leistung und Photovervielfacher zu benutzen.
Die EP-A-0 081 947 benutzt eine normale Lampe, eine empfindliche Photovervielfacherröhre, eine gepulste Lichtquelle und einen Chopper, um selektiv Übergangslicht abzusperren. Die EP-A-0 005 400 benutzt eine Blitzlampe und einen Photovervielfacher.
Die US-A-3 973 129 bezieht sich auf ein optisches System für Fluoreszenzmessungen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2, wobei feste Filter in jedem Pfad benutzt werden.
Die WO-A-87/04804 beschreibt eine Adaptervorrichtung, um ein Mikroskop in ein Spektroskopfluormeter umzuwandeln, welches ein rotierbares Filter aufweist, das mit opaken lichtblockierenden Abschnitten und verschiedenen Filtern ausgerüstet ist. Diese Vorrichtung ist so ausgebildet, daß sie entweder in den Erregerzweig oder in den Emissionszweig eingebracht werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein optisches System für einen Fluoreszenzmesser geschaffen, wodurch eine betriebssichere Doppelkanal-Fluoreszenzanalyse unter Benutzung kostengünstiger Bestandteile durchgeführt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein kostengünstiges und dennoch sehr wirksames Doppelkanal- Fluoreszenzmeßgerät vorgesehen, das Erreger- und Emissions- Zweige besitzt und einen relativ niedrigen Ultraviolett- Ausgang aufweist, wobei eine Wolfram-Halogen-Erregerquelle zusammen mit Festkörperphotodetektoren benutzt wird, um die niedrigen Werte des von der Probe emittierten Lichtes festzustellen, die bei einer Fluoreszenzanalyse auftreten. Die Erlangung betriebssicherer Ergebnisse mit derartigen Komponenten wird möglich durch Einbau einer Optik in den Erreger- und Emissionszweige, die etwa 90-%ig im Ultraviolettbereich durchlässig sind, um den Durchsatz zu maximieren, wobei Festkörperschaltungen zusammen mit einem Filterrad benutzt werden, das Bereiche mit Lichtdurchlaß und mit Lichtabsperrung derart aufweist, daß die Dunkelbereiche voll berücksichtigt werden, die bei Festkörperphotodetektoren und Verstärkern auftreten.
Bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung wird ein Probenhalter oder ein Probenelement, welches eine biologische Flüssigkeit, beispielsweise ein Blutserum, enthält, über der Leseöffnung des optischen Systems plaziert, und es erfolgt eine Beleuchtung durch eine Wolfram-Halogen-Quelle und eine Filterung über einem Erregerzweig-Bandpaßfilter und eine Fokussierung auf der Frontoberfläche des Probenhalters derart, daß der jeweils betrachtete Bestandteil oder eine fluoreszierende Farbe oder Materialien in der Probe zur Fluoreszenz angeregt werden. Die emittierte Fluoreszenz wird gesammelt und durch ein Emissionszweig-Bandpaßfilter geschickt und auf einem Photodetektor fokussiert. Das erfindungsgemäße optische System weist außerdem ein Bezugsphotometer auf, welches die Beleuchtung von der Wolframhalogen-Quelle empfängt und ein Signal liefert, welches benutzt wird, um Änderungen im Ausgang der Lichtquelle zu kompensieren.
Die Erreger- und Emissions-Bandpaßfilter werden von einem Filterrad getragen und sind auf diesem jeweils als diametral gegenüberliegende Filterpaare angeordnet. Das Filterrad weist auch zwei diametral gegenüberliegende opake Oberflächen auf. In einer Stellung des Filterrades werden die Erreger- bzw. Emissionsfilter eines angepaßten Paares von Bandpaßfiltern gleichzeitig im Erregerpfad und im Emissionspfad des Systems plaziert. Wenn sich das Filterrad in einer anderen Stellung befindet, dann werden Erregerzweig und Emissionszweig gleichzeitig durch die opaken Bereiche abgesperrt, um Photodetektor/Verstärker-Dunkelsignale zu erhalten, die eine Komponentendrift anzeigen.
Die Ausgangssignale vom Hauptphotodetektor und vom Bezugsphotodetektor werden verstärkt, umgewandelt, digitalisiert und durch eine Festkörperschaltung verarbeitet, um eine Messung zu erzeugen, welche die Konzentration des untersuchten Mittels anzeigt. Die Verarbeitung wird unter Benutzung eines Algorithmus bewirkt, der auf vier aufeinanderfolgenden Photodetektorsignalen beruht, nämlich einem Bezugsphotodetektordunkelsignal, einem Bezugsphotodetektorerregersignal, einem Hauptphotodetektoremissionssignal und einem Hauptphotodetektordunkelsignal. Die durch diesen Algorithmus gelieferte Messung wird unterschiedlich durch den Mikroprozessor verarbeitet, basierend auf dem jeweiligen Typ des benutzten Probenelementes.
Ein Hauptziel der Erfindung besteht demgemäß darin, ein kostengünstiges und dennoch betriebssicheres optisches System für einen Mehrkanalfluoreszenzmesser zu schaffen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein solches optisches System derart auszubilden, daß es insbesondere bei einem Immunprobeninstrument benutzbar ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Festkörperphotodetektoren und eine Schaltung derart auszubilden, daß Störsignale kompensiert werden, die derartigen Photodetektoren/Verstärkern eigen sind. Weitere Ziele und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die vorliegende Erfindung angesehen werden, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt, welcher das optische System der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig. 2 eine Ansicht des Filterrades des optischen Systems,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht, welche den Strahlungsenergiedurchsatz des erfindungsgemäßen optischen Systems veranschaulicht,
Fig. 4A bis 4C Ansichten, die die aufeinanderfolgenden Stellungen des Filterrades während der Benutzung eines ersten Paares angepaßter Bandpaßfilter veranschaulichen,
Fig. 5A bis 5C Ansichten, die die aufeinanderfolgenden Stellungen des Filterrades während der Benutzung eines zweiten Paares angepaßter Bandpaßfilter veranschaulichen,
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild, welches die Festkörperschaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems veranschaulicht,
Fig. 7 eine schematische Darstellung, welche den spektralen Ausgang einer herkömmlichen Wolfram-Halogenlampe veranschaulicht, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung, die die Signal/- Rausch-Verhältnisse einer Photovervielfacherröhre und einer Photodioden/Verstärker-Kombination vergleicht.

Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 der Zeichnung ist das optische System der vorliegenden Erfindung allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet, und dieses optische System weist die folgenden Hauptbestandteile auf: ein Optikmodul, welches mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist, und ein Festkörperverarbeitungs- und Steuersystem 14. Das Optikmodul 12 tastet eine biologische Probe ab, die allgemein bei E positioniert ist, einer Stelle, die gegenüber Licht von anderen, nicht dargestellten Komponenten des Instrumentes abgedichtet ist.
Das Optikmodul 12 weist einen oberen Gehäuseteil 16 auf, der fest mit einem unteren Gehäuseteil 18 lichtdicht verbunden ist. Ein Filterrad 20 ist drehbar innerhalb eines zylindrischen Hohlraums 22 im oberen Gehäuseteil 16 gelagert.
Wenn sich das Filterrad 20 in der in Fig. 1 dargestellten Stellung befindet, dann wird ein Erregerpfad mit einer optischen Achse X durch eine erste rechteckige Öffnung 24 im oberen Gehäuseteil 16, eine zweite rechteckige Öffnung 26 im Filterrad 20 und eine dritte rechteckige Öffnung 28 im unteren Gehäuseteil 18 definiert. Jede der Öffnungen 24, 26 und 28 besitzt im wesentlichen die gleichen Abmessungen, und sie liegen koaxial zur optischen Achse X der Erregung. In gleicher Weise wird ein optischer Emissionspfad geschaffen, der eine optische Achse M aufweist, in der eine erste rechteckige Öffnung 30 im oberen Gehäuseteil 16, eine zweite rechteckige Öffnung 32 im Filterrad 20 und eine dritte rechteckige Öffnung 34 im unteren Gehäuseteil 18 liegen.
Jede der rechteckigen Öffnungen 30, 32 und 34 besitzt im wesentlichen die gleichen Abmessungen, und sie sind koaxial längs der optischen Emissionsachse M angeordnet.
In der Längsachse jeder rechteckigen Öffnung 24, 28, 30 bzw. 34 und normal dazu sind asphärische optische Linsen 36, 38, 40 und 42 angeordnet. Ein erstes angepaßtes Paar von Erreger- und Emissions-Bandpaßfiltern 44 und 46 ist in den zylindrischen Öffnungen 26 und 32 des Filterrades 20 normal zur Erreger- und Emissionsachse X bzw. M angeordnet. Ein rechteckiges opakes Element 48 mit einer klein bemessenen Rechtecköffnung 50 im Mittelpunkt liegt innerhalb der rechteckigen Öffnung 28 quer zur optischen Erregerachse X.
Benachbart zum unteren Ende der Rechtecköffnung 28 im unteren Gehäuseteil 18 befindet sich ein reflektierendes und fokussierendes Element 52 mit einer konvexen vorderen Brechungsoberfläche 54 und einer ebenen Spiegelrückseite 56. Das Element 52 liegt unter einem Winkel von 45 º gegenüber der optischen Erregerachse X. Der untere Gehäuseteil 18 trägt eine auswechselbare Wolfram-Halogen-Glühlampe und einen damit verbundenen Reflektor 58, so daß eine Strahlungsenergie längs einer optischen Achse T geschickt wird, die rechtwinklig zur optischen Achse X der Erregung steht und die ebene Rückseite 56 des Fokussierungs- und Reflexionselementes 52 unter 45 º trifft.
Der obere Gehäuseteil 16 weist eine Lichtfalle 60 benachbart zur rechteckigen Öffnung 30 und gegenüber der rechteckigen Öffnung 24 auf. Die Öffnungen 24 und 30 und die Lichtfalle 60 schneiden sich an ihren oberen Enden und bilden eine große Öffnung oder eine Leseöffnung 62 in der oberen Oberfläche des oberen Gehäuseteils 16.
Das Filterrad 20 ist auf einer Welle 64 drehbar um die Achse W gelagert, die den 45º-Winkel A (Fig. 3) zwischen der optischen Achse X des Erregerpfades und der optischen Achse M des Emissionspfades halbiert. Die Welle 64 ist im oberen und unteren Gehäuseteil 16 bzw. 18 in herkömmlicher Weise drehbar gelagert, und sie wird durch einen in zwei Drehrichtungen laufenden Schrittmotor 66 angetrieben.
Das Filterrad 20 weist außerdem einen oberen und einen unteren zylindrischen Flansch 68 (Fig. 1 und 2) und 70 (Fig. 1, 4 und 5) auf, die von entsprechenden zylindrischen Ausnehmungen 72 und 74 im oberen und unteren Gehäuseteil 16 bzw. 18 aufgenommen sind. Die zylindrischen Flansche 68 und 70 und die Ausnehmungen 72 und 74 bilden eine Lichtablenkvorrichtung oder ein Labyrinth, welches optisch den optischen Emissionspfad von dem optischen Erregerpfad trennt und ungefilterte Beleuchtung daran hindert, um das Filterrad 20 herumzukriechen.
Das optische System 10 weist außerdem einen Hauptphotodetektor 76 und einen Bezugsphotodetektor 78 auf, die jeweils einen herkömmlichen Photodetektor, beispielsweise eine Siliziumphotodiode, aufweisen. Beide Photodetektoren sind auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine 73 angeordnet, die in dem Raum sitzt, der im Gehäuseteil 18 am Ende des Emissionszweiges des Lesekopfes ausgebildet ist. Der Photodetektor 76 ist vom Emissionszweig durch eine Lichtdichtung 75 abgedichtet. Der Bezugsphotodetektor 78 empfängt Licht von einem entfernt liegenden Teil des Erregerzweiges über eine Faseroptik 86, die mit dem Gehäuse 18 über eine Kupplung 84 gekuppelt ist. Eine Lichtdichtung 77 verhindert, daß Streulicht aus der Faseroptik 86 in den Hauptphotodetektor 76 eindringt.
Die Ausgänge der Photodetektoren 76 und 78 werden einem Steuersystem 14 über die Leitungen 90 bzw. 92 zugeführt. Diese Leitungen sind zweckmäßigerweise in einer einzigen Leitung 93 kombiniert, die durch ein einziges Loch 91 in einer Abdeckplatte 79 hindurchläuft, die über dem Hohlraum liegt, in dem die Schaltungsplatine 73 sitzt. Auf diese Weise werden beide Photodetektoren von Streulichtsignalen isoliert, und sie sind mehr oder weniger der gleichen Umgebung ausgesetzt. Außerdem bildet die Abdeckplatte 79 vorzugsweise einen Teil einer metallischen Umschließung für die Photodetektoren, um diese gegenüber elektromagnetischen Störungen zu schützen.
Die Festkörpersteuer- und Verarbeitungsschaltung 14 (ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist im einzelnen in Fig. 6 dargestellt) empfängt die Ausgangssignale der Photodetektoren 76 und 78 über Leitungen 90 bzw. 92. Die Festkörperschaltung 14 liefert Steuersignale an den Schrittmotor 66 über die Leitung 96, während die Lichtquelle 58 über eine Leitung 94 mit einer Spannungsquelle 95 verbunden ist. Eine Ausgangsvorrichtung 98, beispielsweise ein optisches Display oder ein Drucker, liefert die Konzentrationspegel von der Festkörperschaltung 14 längs der Leitung 100.
Wie aus Fig. 2 der Zeichnung ersichtlich, weist das strichpunktiert angedeutete Filterrad 20 nicht nur das angepaßte Paar von Erreger- und Emissions-Bandpaßfiltern 44 bzw. 46 (Fig. 1) auf, sondern auch noch ein angepaßtes zweites Paar von Bandpaßfiltern 102 und 104 und ein Paar diametral gegenüberliegender opaker Bereiche oder Einsätze 106 und 108 auf. Die Bandpaßfilter 44, 46, 102 und 104 sind voll ausgezogen dargestellt, während die übrigen Abschnitte des Filterrades 20 strichpunktiert dargestellt sind, um klar zu machen, daß jedes der Bandpaßfilter von dem äußeren Umfang des Rades nach der Basis der Welle 64 geneigt ist. Obgleich das Filterrad 20 selbst allgemein zylindrische Gestalt hat, dreht sich jedes Bandpaßfilter 44, 46, 102 und 104 um die Achse W auf einem im wesentlichen umgekehrt konischen Pfad. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 3 schneiden sich optischer Erregerpfad und optischer Emissionspfad unter einem Winkel A von 45 º, der Winkel kann jedoch auch größer oder kleiner sein. Der Spitzenwinkel des invertierten Konus, der der Oberfläche entspricht, die durch jedes Bandpaßfilter definiert ist, beträgt 135 º, oder mehr oder weniger. Die ebene obere und untere Oberfläche eines jeden Bandpaßfilters ist normal zu dem parallelisierten Licht in dem optischen Emissionspfad bzw. Erregerpfad angeordnet. Da sich die Filtereigenschaften eines jeden Bandpaßfilters 44, 46, 102 und 104 gegenüber dem Einfallswinkel der zu filternden Beleuchtung ändern, werden Verschiebungen in der mittleren Wellenlänge minimiert, da die Filter normal zum optischen Pfad und innerhalb eines Abschnitts des optischen Zweiges angeordnet sind, wo das Licht parallelißiert wird.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht jedes Bandpaßfilter 44 und 46 insgesamt aus Schottschem Absorptionsglas, wobei das Erregerfilter 44 Licht einer schmalen Bandbreite um etwa 360 nm herum durchläßt und der Emissionsfilter 46 einen aufgedampften Überzug neutraler Dichte aufweist und Licht einer schmalen Bandbreite um etwa 450 nm durchläßt. Gemäß dem gleichen Ausführungsbeispiel sind Erreger-Bandpaßfilter 102 und Emissions-Bandpaßfilter 104 in herkömmlicher Weise als Filterpacks absorbierender Gläser konstruiert, und es werden sechs Hohlräume aufgedampfter optischer Bandpaßfilter benutzt, wobei das absorbierende Glas primär als Hochpaßfilter benutzt wird, während die Bandpaßhohlräume für die jeweiligen Bandpässe und scharfe Flanken benutzt werden. Das Erregerfilter 102 ist so ausgebildet, daß es Licht in einem schmalen Frequenzband zwischen 545 und 555 nm durchläßt, während das Emissions- Bandpaßfilter 104 Licht hindurchtreten läßt, dessen Wellenlängen in der schmalen Bandbreite zwischen 575 und 585 nm liegt. Es ist zweckmäßig, daß die diametral gegenüberliegend angeordneten opaken Bereiche 106 und 108 einfach durch opake Abschnitte des Filterrades 20 zwischen den Filtern 44 und 102 und 46 und 104 gebildet werden. Es ist jedoch klar, daß die opaken Oberflächen 106 und 108 als opake Einsätze ausgebildet sein können, die in zylindrischen Öffnungen des Filterrades 20 in der gleichen Weise wie die Bandpaßfilter angeordnet sein können. Gemäß dem gleichen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wolfram-Halogenlampe, die mit dem Reflektor als Einheit 58 vereinigt ist, eine 35-Watt- Wolfram-Halogenlampe, und die Lampe und der hiermit vereinigte Reflektor stellen eine kommerziell verfügbare kostengünstige Einheit dar. Der integrale Reflektor arbeitet in herkömmlicher Weise und kehrt die vom Glühfaden ausgehende Strahlung um, wodurch der Ausgang der Lampe maximal ausgenutzt wird, und da er für Infrarotstrahlung durchlässig ist, wird Hitze vom System abgeführt. Wie aus Fig. 7 der Zeichnung ersichtlich, liefert die Wolfram-Halogenlampe sowohl ultraviolettes als auch sichtbares Licht. Das Ausgangsspektrum der Lampe kann zur Abschätzung und Optimierung der optischen Leistung unter Benutzung der Planckschen Schwarzkörperformel berechnet werden.
Gemäß Fig. 3 der Zeichnung wird der aus Ultraviolett und sichtbarer Strahlung kombinierte Ausgang O der Lampen- und Reflektor - kombination 58 geknickt und gleichzeitig auf die Öffnung 50 durch das Reflektor- und Brechungselement 52 fokussiert. Die beleuchtete Öffnung 50, die ein Objekt für analytische Zwecke bildet, wird durch zwei asphärische Linsen 38 und 36 auf eine Ebene abgebildet, die mit der Signalschicht eines Probenelementes E zusammenfällt. Die asphärische Linse 38 sammelt die Ultraviolettstrahlung und die sichtbare Strahlung und parallelisiert diese, die durch die Öffnung 50 hindurchgetreten ist, so daß diese Strahlung normal zu der unteren ebenen Oberfläche des Bandpaßfilters 44 verläuft. Auf diese Weise werden die Filtereigenschaften des Erreger-Bandpaßfilters 44 maximiert. Das Filter 44 blockiert den Durchtritt fast sämtlicher Strahlung mit Wellenlängen von 390 nm oder mehr und ermöglicht den Durchtritt von Strahlung U einer schmalen Bandbreite um 360 nm mit einer Spitzendurchlässigkeit bei etwa 370 nm. Die asphärische Linse 36 sammelt die Strahlung U und konvergiert diese an einer Stelle P, die mit der Signalschicht des Probenelementes E zusammenfällt. Die fokussierte Erregerstrahlung P erzeugt dann eine Spiegelreflexion J und eine diffuse Reflexion und Fluoreszenz H.
Um die Spiegellichtsteuerung zu optimieren und die Raumerfordernisse zu vermindern, sind die asphärischen Linsen 36, 38, 40 und 42 so gestaltet, daß sie rechteckig sind, so daß das Erregerlicht, welches auf das Probenelement E ausgerichtet ist, nicht in einem zu kleinen Winkel B ankommt, wobei der unterste projizierte Strahl etwa 37 º gegenüber der Ebene des Probenelementes angestellt ist und der Winkel C des untersten Strahles des spiegelreflektierten Lichtes bei etwa 33 º liegt. Bei einem Versuch, die diffuse Fluoreszenz festzustellen, die von dem Probenelement E geliefert wird, und um fehlerhafte Spiegelreflexsignale so gering als möglich zu halten, wird der optische Erregerpfad unter 45 º gegenüber der Ebene des Probenelementes E geknickt, während der optische Emissions- oder Detektionspfad normal zur Ebene des Probenelementes liegt, und die Lichtfalle 60 ist so angeordnet, daß sie die spiegelnd reflektierte Strahlung J auffängt und absorbiert. Außerdem sind die inneren Oberflächen der Gehäuseteile 16 und 18 und sämtliche Oberflächen des Filterrades 20 (ausschließlich der Bandpaßfilter) anodisiert, farbig oder mattschwarz gefärbt, um Streulicht zu eliminieren.
Die asphärische Linse 40 sammelt die diffuse Reflexion und Fluoreszenz H vom Probenelement E und parallelisiert diese. Die Sammellinse 40 ist so ausgebildet, daß die gesamte Linse keine Spiegelreflexion J von der Oberfläche des Probenelementes erhält.
Der Emissionsfilter 46 überträgt diffuse Fluoreszenz V, während diffus reflektierende Erregerwellenlängen und Spiegelkomponenten J zurückgewiesen oder abgesperrt bleiben, die sich im Sammelpfad finden könnten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das Emissions-Bandpaßfilter 46 insgesamt aus Schottschem Absorptionsglas besteht, sperrt das Filter 46 alle Wellenlängen von weniger als 425 nm und läßt ein schmales Lichtband mit einer Wellenlänge von etwa 450 nm durch, wobei die Spitzendurchlässigkeit bei etwa 470 nm liegt. Die Erreger- und Emissions-Bandpaßfilter 44 und 46 sind so gewählt, daß sie eine Bandbreite und Absorptionseigenschaften besitzen, die zwischen Erregerwellenlängen und Emissionswellenlängen deutlich unterscheiden. Quantitativ gemessen bedeutet dies, daß der Sperrfaktor oder das Verhältnis von einfallendem weißem Licht zu Licht, das durch die Filter 44 und 46 übertragen wurde, 10&supmin;&sup8; beträgt.
Die diffuse Fluoreszenz V, die durch das Bandpaßfilter 46 übertragen wurde, wird auf dem Photodetektor 76 durch die asphärische Linse 42 gesammelt und fokussiert. Um das Signal bei den interessierenden Wellenlängen zu maximieren, d. h. im Ultraviolett-Bereich des Spektrums, bestehen alle asphärischen Linsen 36, 38, 40 und 42 aus einem optischen Material, beispielsweise einem optischen Plastikmaterial, welches für die interessierenden Wellenlängen äußerst durchlässig ist. Beispielsweise liefern die kommerziell verfügbaren Linsen von Röhm und Haas UVT 100 Acrylic die gewünschte Durchlässigkeit. Aus Kostengründen sind alle diese Linsen von identischer Konstruktion und herkömmlicher Ausbildung.
Um die Ablesungen bei Änderungen sowohl der Ausgangswellenlänge oder Intensität der Wolfram-Glühlampe 58 normalisieren zu können, ist ein optischer Faseraufnehmer 88 stromab des Erregerfilters 44 angeordnet, um einen Anteil des gefilterten Erregerlichts dem Bezugsphotodetektor 78 zu liefern. Als solches entspricht das Ausgangssignal des Bezugsdetektors 78 den Charakteristiken des Erregerlichts und wird im Signalverarbeitungsalgorithmus benutzt, um Änderungen des Glühlampenausgangs zu kompensieren.
Die Fig. 4A bis 4C zeigen die drei aufeinanderfolgenden Stellungen des Filterrades 20 während einer Fluoreszenzanalysemessung, wobei zunächst ein angepaßtes Paar von Bandpaßfiltern 44 und 46 benutzt wird. Die Fig. 5A bis 5C veranschaulichen die drei aufeinanderfolgenden Positionen des Filterrades 20 während der Analyse, die das zweite angepaßte Paar von Bandpaßfiltern 102 und 104 benutzt. Die erste und die dritte Position des Filterrades 20 in beiden Folgen gemäß Fig. 4A bis 4C und Fig. 5A bis 5C sind die gleichen. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß das Filterrad 20 in der gleichen Position zu Beginn und am Ende jedes Meßzyklus befindlich ist, unabhängig davon, welches angepaßte Paar von Bandpaßfiltern benutzt wurde. Wie in den Fig. 4A, 4C, 5A und 5C dargestellt, beginnt das Filterrad 20 einen Meßzyklus an einer Stelle, wo die opake Oberfläche 106 den optischen Erregerpfad abdeckt und die opake Oberfläche 108 den optischen Emissionspfad absperrt. In dieser Stellung endet auch ein Meßzyklus. Um nach der Stellung gemäß Fig. 4B zu gelangen, wird das Filterrad 20 um 60 º im Gegenuhrzeigersinn durch den Schrittmotor 66 gedreht. In der in Fig. 4B dargestellten Lage befindet sich das Erreger-Bandpaßfilter 44 in dem optischen Erregerpfad, und das Emissions-Bandpaßfilter befindet sich im optischen Emissionspfad (Fig. 1 bis 3). Das Filterrad 20 wurde in die Lage gemäß Fig. 4C aus der Lage gemäß Fig. 4B überführt, indem der Motor 66 so angetrieben wurde, daß das Filterrad um 60 º im Uhrzeigersinn verdreht ist. Die Fig. 5A und 5C zeigen das Filterrad 20 in den gleichen Stellungen, die in Fig. 4A und 4C dargestellt sind. Das Filterrad 20 wurde in die Stellung gemäß Fig. 5B überführt, indem der Schrittmotor 66 das Filterrad um 60 º im Uhrzeigersinn verschwenkt hat. In der Stellung gemäß Fig. 5B liegt das Erreger-Bandpaßfilter 102 im optischen Erregerpfad, und das Emissions- Bandpaßfilter 104 liegt im optischen Emissionspfad. Der mit O in den Fig. 4A bis 4C und 5A bis 5C bezeichnete Pfeil repräsentiert die gesammelte Kombination von Ultraviolett und sichtbarer Strahlung, die durch die Sammellinse und Kollektorlinse 38 geliefert wurde. Der in Fig. 4B mit V bezeichnete Pfeil repräsentiert die Emissionsstrahlung, die durch das Filter 46 durchgelassen wurde, um durch die Linse 42 auf dem Hauptphotodetektor 76 (Fig. 3) gesammelt und fokussiert zu werden. Der mit Z bezeichnete Pfeil repräsentiert die Strahlungsenergie, die durch das Bandpaßfilter 104 übertragen wurde, um auf dem Hauptdetektor 76 durch die asphärische Linse 42 gesammelt und fokussiert zu werden.
Wie aus Fig. 6 der Zeichnung ersichtlich, enthält die Festkörpersteuer- und Verarbeitungsschaltung 14 gemäß Fig. 1 zwei strom-Spannungs-Wandler 110 und 112, einen programmierbaren Schalter 114, eine programmierbare Verstärkung 116, einen Doppelsteigungs-Analog/Digital-Wandler 118 und einen Mikroprozessor 120. In dem Verfahren der Fluoreszenzspektroskopie gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Stromsignale Sc, Dc (Hauptkanalsignale) und Fc, Rc (Bezugskanalsignale) von jedem der Photodetektoren 76 bzw. 78 verstärkt und in Spannungssignale Sv, Dv, Fv, Rv beim Durchlaufen durch die Wandler, beispielsweise Transimpedanzverstärker, 110 und 112 umgewandelt. Der programmierbare Schalter 114 liefert jeweils eines der Spannungssignale Sv, Dv, Fv und Rv nach dem programmierbaren Verstärker 116, dessen Verstärker in Faktoren von 2 über einen Bereich von 1mal bis 128mal wählbar ist, um Verstärkungsausgänge gFv, gRv, GSv, GDv zu liefern. Die Verstärkung für jede Photodiode G für die Hauptphotodiode 76 und g für die Bezugsphotodiode 78 wird getrennt gewählt. Jeder der Ausgänge gFv, gRv, GSv, GDv von der programmierbaren Verstärkung 116 wird nacheinander dem Doppelneigungs-A/D-Wandler 118 zugeführt und in entsprechende digitale Signale F, R, S, D umgeformt. Der Doppelneigungswandler 118 weist beispielsweise einen Kondensator auf, der durch ein Signal für 700 ms aufgeladen wird. Nach dieser Periode wird der Kondensator auf einen speziellen Wert entladen. Die für diese Entladung erforderliche Zeit wird präzise gezählt. Der Wert dieser präzisen Zählung repräsentiert einen Digitalwert, der dem analogen Eingangssignal entspricht. Die Digitalwerte F, R, S und D werden jeweils einzeln dem Mikroprozessor 120 zur Datenreduktion zugeführt.
Im einzelnen beginnt, wiederum unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4C der Zeichnung, ein Fluoreszenzmeßzyklus unter Benutzung eines Paares von Bandpaßfiltern 44 und 46, wenn sich das Filterrad in der in Fig. 4A gezeigten Stellung befindet. In dieser Stellung blockiert der opake Bereich 106 die Übertragung von Erregungsbeleuchtung, so daß das Stromsignal Fc, das durch den Bezugskanal 78 entwickelt wurde, Bezugskanalphotodetektor- und Verstärkerdunkelsignale anzeigt. Als nächstes wird der Schrittmotor 66 durch den Mikroprozessor 120 so angetrieben, daß das Filterrad 20 die Stellung gemäß Fig. 4B einnimmt. In dieser Stellung liegen Erreger- und Emissions-Bandpaßfilter 44 und 46 im optischen Erreger- und Emissionspfad. Als solches liefert der Bezugsphotodetektor 78 das Stromsignal Rc, das dem Bezugskanalerregersignal plus Dunkelsignal entspricht, und der Hauptphotodetektor 76 liefert das Stromsignal Sc, welches das Hauptkanalemissionssignal plus Dunkelsignal repräsentiert. Als nächstes treibt der Mikroprozessor 120 den Schrittmotor 66 so, daß das Filterrad 20 in die Lage gemäß Fig. 4C gedreht wird. In dieser Stellung blockiert der opake Bereich 108 die Übertragung der Strahlung längs des optischen Emissionspfades, so daß der Stromausgang Dc des Hauptphotodetektors 76 einem Hauptkanaldunkelsignal entspricht. Dieser Zyklus wird für jeden Meßpunkt, der den Bandpaßfiltern 44 und 46 zugeordnet ist, wiederholt. Ein ähnlicher Zyklus, der die Entwicklung von vier Photodiodenstromsignalen Fc, Rc, Sc und Dc liefert, aber die Filterradposition gemäß Fig. 5A bis 5C benutzt, wird für jeden Meßpunkt unter Benutzung des Bandpaßfilterpaares 102 und 104 durchgeführt. Der Start eines jeden Meßzyklus, in dem ein einziges Signal umgewandelt wird, tritt innerhalb von 250 ms des letzten Zyklus ein, um die Effekte von Störungen und langzeitigen Abdriften minimal zu halten.
Im Mikroprozessor 120 bewirkt die Datenreduzierung eine Fluoreszenzmeßzahl N = (S-D)/(R-F)G, wobei S das Emissionssignal im Hauptkanal ist, D das Dunkelsignal im Hauptkanal, R das Erregersignal im Bezugskanal bzw. Faserkanal, F das Bezugsfaserkanal-Dunkelsignal und G die Verstärkung des Hauptdetektorkanals.
Das optische System 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Benutzung in einem Fluoreszenzmesser bei einem Immunprobeninstrument geeignet, das Antigene oder Antikörperkonzentrationen bestimmt, wobei entweder Mehrschichtproben MTM oder Kapillarproben CAP benutzt werden. Kapillarprobenelemente liefern ein diffuses Fluoreszenzsignal, welches sich in der Wellenlänge von dem Erregerwellenlänge um etwa 90 nm unterscheidet. Gemäß der Erregerstrahlung benimmt sich jedes Mehrschichtenprobenelement oder Kapillarprobenelement wie eine Lambertian-Quelle und liefert ein diffuses Fluoreszenzsignal, dessen Übereinstimmung mit den Lambertian-Regeln von dem Charakter des Probenelementes abhängt, das gemessen werden soll.
Wenn ein Mehrschichtenprobenelement analysiert werden soll, in dem der fluoreszierende Antikörper, das Antigen usw. erregt wird, wobei ein Ausgangssignal geliefert wird, welches sich umgekehrt zur Konzentration des vorhandenen Analyten ändert, dann wird das Mehrschichtenprobenelement einem anfänglichen Fluoreszenzmeßzyklus unterworfen, wobei die opaken Oberflächen 106 und 108 und das angepaßte Paar von Bandpaßfiltern 102 und 104 (Fig. 5A bis 5C) benutzt werden, bevor die flüssige Probe dem Probenelement zugesetzt wird, so daß eine Trockenfluoreszenzmessung erfolgt. Dann wird die flüssige Probe dem Mehrschichtenprobenelement zugesetzt, und dieses feuchte Probenelement wird unter Benutzung des gleichen Fluoreszenzmeßzyklus (Fig. 5A bis 5C) gelesen. Die Feuchtigkeitsmessung wird durch die ursprüngliche Trockenmessung dividiert, um eine normalisierte Mehrschichtelementmessung zu erzeugen, die einer Eichkurve angepaßt wird, um eine entsprechende Analytenkonzentration zu finden. Wenn ein Mehrschichtenprobenelement MTM analysiert wird, dann erfolgt keine Signaldifferenzierung. Jede Hintergrundfluoreszierung, die durch die flüssige Probe erzeugt wurde, ist demgemäß unbedeutend im Vergleich mit dem Hauptfluoreszenzsignal, welches durch Fluoreszenz benachbart zur Vorderoberfläche des Probenelementes geliefert wird, wodurch die Intergrundfluoreszenz ignoriert werden kann. So wird beispielsweise das Fluoreszenzsignal, welches durch eine Blutserumprobe bei der Wellenlänge erzeugt wurde, bei der das Element ausgelesen wurde, sehr klein, und das Volumen des Blutserums auf der Ableseschicht des Probenelementes ist so klein, daß irgendwelche Hintergrundfluoreszenzbeiträge des Blutserums vernachlässigt werden können.
Wenn man ein Kapillarprobenelement CAP analysiert, bei dem der Anteil der Enzyme gemessen wird, um die Konzentration von Bestandteilen unter der Probe zu bestimmen, dann wird ein neuer Fluoreszenzkörper, beispielsweise Rhodomin, benutzt, der die Fluoreszenzmessungen nicht beeinträchtigt, wobei die Bandpaßfilter 44 und 46 (Fig. 4A bis 4C) benutzt werden. Es ist zweckmäßig, dieses neue Fluoreszenzmaterial dem Probenelementsubstrat zuzusetzen. Dabei ist es jedoch möglich, daß das neue Fluoreszenzmaterial der flüssigen Probe zugesetzt werden kann. Fluoreszenzmessungen werden eine vorbestimmte Zeit lang verzögert, beispielsweise 2 ½ Minuten lang, und danach ist es bekannt, daß die Fluoreszenzmessungen sich mit einer festen linearen Rate ändern. Nach dieser Verzögerung werden Mehrfachmessungen in festen Intervallen vorgenommen, beispielsweise in Intervallen von 1 Minute, wobei die opaken Bereiche 106 und 108 der Bandpaßfilter 44 und 46 (Fig. 4A bis 4C) benutzt werden, und der Anstieg dieser Messungen wird bestimmt. Als nächstes wird eine neue Fluoreszenzmessung mit einem neuen Material durchgeführt, wobei die opaken Oberflächen 106 und 108 und die Bandpaßfilter 102 und 104 (Fig. 5A bis 5C) benutzt werden, und die Steigung der ursprünglichen vier Messungen wird durch diese neue Fluoreszenzmessung dividiert, um einen normalisierten Steigungswert zu liefern. Dieser normalisierte Steigungswert ist auf die Konzentration des interessierenden Analyten über eine vorbestimmte Eichkurve gezogen. Hintergrundfluoreszenzsignale, die durch die flüssige Probe selbst erzeugt wurden, sind unbedeutend.
Zusätzlich zu den obigen Messungen werden Geschwindigkeitsstudien durchgeführt, beispielsweise MTM- oder CAP-Proben werden benutzt, um eine Reihe von Ablesungen an vorbestimmten oder wenigstens bestimmbaren Zeitintervallen zu liefern.
Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, ist es klar, daß der Mikroprozessor 120 die Filterradstellung dadurch überwacht, daß die Ausgangssignale des Bezugsphotodetektors 78 überwacht werden und indem eine Spur der Drehungen des Schrittmotors 66 gehalten wird. Weiter ist klar, daß der Mikroprozessor 120 zusätzliche Eingänge, beispielsweise für Probenelement, Filterradstellung usw., von herkömmlichen Sensorelementen, beispielsweise zusätzlichen Photointerruptoren, Annäherungsschaltern oder einem digitalen Eingang, erhalten kann, die von einem Systembenutzer über eine Tastatur oder einen Berührungsschirm geliefert werden. Solche Eingänge können ein Teil des optischen Systems, des Fluoreszenzmessers oder des analytischen Instruments sein.
Gegeben sei die folgende Gleichung:
P(s) = P(a) x T(1)² x T(f) x Ω/(4π)
wobei
P(s) die Leistung auf dem Schlitten oder Probenelement ist,
P(a) die Leistung der Lampe im aktinischen Bereich (53 mW MTM, 14 mW CAP) ist,
T(1) die Durchlässigkeit der asphärischen Linsen (0,90) ist,
T(f) die Durchlässigkeit des Erregerfilters (0,50 MTM, 0,30 CAP) ist und
Ω der feste Sammelwinkel der Linse (0,3) ist.
Ein beispielsweises optisches System gemäß der vorliegenden Erfindung liefert eine Leistung von P(s) ungefähr 550 uWatt für eine MTM-Probe und eine P(s) ungefähr 81 uWatt für eine CAP-Probe.
Es soll außerdem angenommen werden, daß der minimale Ausgang des MTM-Probenelementes gleich P(e) ungefähr P(s) x 1E-6 ist und bei einem CAP-Probenelement P(e) ungefähr P(s) x 1E-4 ist.
Dabei ist P(e) das Emissionssignal. Dann ist die Leistung am Hauptdetektor des gleichen optischen Beispiels wie folgt:
P(d) = P(e) x T(1)² x T(f2) x Ω/(4π)
Dabei ist P(d) die Leistung am Detektor, T(f2) ist die Durchlässigkeit des Emissionsfilters (0,50 MTM, 0,08 CAP).
Unter Benutzung der obigen Gleichung beträgt die minimale Leistung am Hauptphotodetektor, die durch eine MTM-Probe entwickelt wurde, gleich P(d) ungefähr 5E-12W (5 Picowatt), und die von der CAP-Sonde entwickelt wurde, ist gleich P(d) ungefähr 7E-11W (70 Picowatt).
Mit den obigen Werten ist die theoretische Arbeitsleistung der erfindungsgemäßen Detektorschaltung bei 5-Picowatt- Signal ungefähr 400/1 Signal/Rausch-Verhältnis (S/N), und bei 70 Picowatt Signalstärke ungefähr 5000/1 S/N.
Wie in Fig. 8 der Zeichnung dargestellt, ist unter der Annahme der gleichen Zeitparameter das Signal/Rausch- Verhältnis einer herkömmlichen Siliziumphotodiode, so wie der Hauptphotodetektor 76 der vorliegenden Erfindung, gleich oder größer als das Signal/Rausch-Verhältnis herkömmlicher Photovervielfacherröhren (PMT) im Signalbereich zwischen 7 bis 3000 Picowatt. Obgleich selbst herkömmliche Verfahren auf dem Gebiet der Fluoreszenzmessung eine Photovervielfacherröhre benutzten, um geringe Pegel zu messen, die von der Probe emittiert waren, wenn eine ein schwaches Ultraviolettlicht erzeugende Quelle benutzt wurde, dann benutzt das optische System gemäß vorliegender Erfindung vorteilhafterweise eine Wolfram-Halogen-Glühlampe und Festkörperdetektoren. Dies wird möglich, weil die vorliegende Erfindung ein Emissionslichtsignal von 7 bis 3000 Picowatt liefert. Dieser relativ hohe Emissionslichtsignalpegel entspricht einem mehr als guten Signal/- Rausch-Verhältnis für die Photodiode 76. Als solches schafft die Benutzung von Festkörperphotodetektoren und die Benutzung einer kostengünstigen Lichtquelle mit ultraviolettem Auslaß im optischen System vorliegender Erfindung ein kostengünstiges optisches System, ohne daß die Betriebssicherheit der Versuchsergebnisse darunter leidet.
Der erwartete Signalbereich, der der Benutzung eines Mehrschichtenprobenelementes zugeordnet ist, reicht von etwa 4 bis 3000 Picowatt. Der erwartete Signalbereich, der ein Kapillartypenprobenelement benutzt, reicht von etwa 100 bis 3000 Picowatt. Die Differenz der MTM- und CAP-Signalbereiche ist teilweise eine Folge davon, daß die Fluoreszenz im Mehrschichtenelement eine Folge des Vorhandenseins oder des Fehlens von Antigenen oder Antikörpern ist, während die Fluoreszenz in einem Kapillarelement von einer Enzymverstärkung herrührt.
Somit wird klar, daß als Ergebnis der vorliegenden Erfindung ein hochwirksames optisches System zur Benutzung in einem Fluoreszenzmesser geschaffen wird, durch das die gestellte Aufgabe vollständig erfüllt wird. Es können Abwandlungen oder Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen festgelegt ist, abzuweichen. Obgleich in der Zeichnung ein Filterrad mit zwei angepaßten Paaren von Bandpaßfiltern demonstriert wurde, könnte auch ein Filterrad benutzt werden, welches eine größere oder kleinere Zahl von Bandpaßfiltern aufweist.
Für den Fachmann ist es ferner klar, daß die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen nur Beispiele bieten und zusätzliche Abwandlungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen festgelegt ist, zu verlassen. Demgemäß sollen die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen nur ein Ausführungsbeispiel erkennen lassen, während der Rahmen der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

1. Optisches Gerät (10) zur Analyse der Konzenzentration eines Bestandteiles in einer flüssigen Probe durch Bestrahlung der Probe mit einer Erregerenergie innerhalb eines ersten Wellenlängenbandes, durch Bestimmung der Menge der Strahlungsenergie, die von der Probe innerhalb eines zweiten Wellenlängenbandes emittiert wird, und durch Bezugnahme der Menge der emittierten Strahlung auf die Konzentration des zu untersuchendenn Bestandteils, wobei das optische Gerät folgende Teile umfaßt:

ein Gehäuse (16, 18) mit einer äußeren Oberfläche und zwei Kanälen (30, 32, 34; 24, 26, 28), die den Erregerpfad und den Emissionspfad der optischen Zweige (M, X) bestimmen, die sich in der Nähe der äußeren Oberfläche schneiden und eine Öffnung bilden, die die Ausleseöffnung in dem Gehäuse (16, 18) definieren;

Mittel zur optischen Trennung des optischen Erregerzweiges von dem optischen Emissionszweig, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen zylindrisches Filterrad (20) drehbar gegenüber dem Gehäuse (16, 18) gelagert ist, welches wenigstens ein angepaßtes Paar von Erreger- und Emissions-Bandpaßfiltern (44, 46) aufweist und diametral gegenüberliegende opake Bereiche (106, 108) besitzt, die eine ausreichende Größe haben, um den Lichtdurchtritt längs der beiden optischen Zweige (M, X) abzusperren, wobei das Filterrad (20) wenigstens erste und zweite Arbeitsstellungen aufweist und sowohl das Erregerfilter (44) als auch das Emissionsfilter (46) des wenigstens einen angepaßten Paares in der ersten Arbeitsstellung in dem Erregerzweig bzw. dem Emissionszweig liegen, und der Erregerzweig und der Emissionszweig durch die opaken Bereiche (106, 108) in der zweiten Arbeitsstellung abgesperrt sind und daß die Mittel zur Trennung Lichtabschirmmittel zwischen dem Filterrad und dem Gehäuse aufweisen.

2. Optisches Gerät (10) zur Benutzung in einem Fluoreszenzmesser zur Analyse der Konzentration eines Bestandteiles einer flüssigen Probe durch Bestrahlung der Probe mit einer Erregerenergie innerhalb eines ersten Bandes kurzer Wellenlängen, durch Bestimmung der Menge der Fluoreszenzstrahlungsernergie, die von der Probe innerhalb eines zweiten Bandes längerer Wellenlängen emittiert wurde, und durch Bezug der Menge der emittierten Fluoreszenzstrahlung auf die Konzentration des zu untersuchenden Bestandteils, wobei das optische Gerät folgende Teile umfaßt:

ein Gehäuse (16, 18) mit einer äußeren Oberfläche und zwei Kanälen (24, 26, 28; 30, 32, 34), die einen optischen Erregerzweig bzw. einen optischen Emissionszweig (M, X) definieren und sich in der Nähe der äußeren Oberfläche schneiden, um eine Öffnung zu definieren, welche eine Ausleseöffnung im Gehäuse (16, 18) definiert;

Mittel zur optischen Trennung des optischen Erregerzweiges von dem optischen Emisionszweig;

dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen zylindrisches Filterrad (20) drehbar im Gehäuse gelagert ist, welches wenigstens ein angepaßtes Paar von Erreger- und Emissions-Bandpaßfiltern (44, 46) aufweist und zwei gegenüberliegende opake Bereiche (106, 108) genügender Größe aufweist, um den Lichtdurchtritt längs der optischen Zweige zu verhindern, wobei das Filterrad (20) wenigstens erste und zweite Arbeitsstellungen besitzt, und daß Erregerfilter und das Emissionsfilter (44, 46) des wenigsten einen angepaßten Paares in der ersten Arbeitsstellung im Erregerzweig bzw. im Emissionszweig liegen und der Erregerzweig und der Emissionszweig durch die opaken Bereiche (106, 198) in der zweiten Arbeitsstellung abgesperrt sind und daß die Mittel zur Trennung Lichtabschirmmittel aufweisen, die zwischen dem Filterrad und dem Gehäuse angeordnet sind.

3. Optisches Gerät nach Anspruch 2, bei welchem der Fluoreszenzmesser als Doppelkanalfluoreszenzmesser arbeitet und das wenigstens eine angepaßte Paar von Erreger- und Emissionsbandpaßfiltern (44, 46) zwei angepaßte Paare von Erreger- und Emissionsinterferenzfilter (44, 46, 102, 104) aufweist, wodurch das Filterrad (20) eine dritte Arbeitsstellung erhält, in der das andere der angepaßten Paare (102, 104) im Erregerzweig bzw. im Emissionszweig liegt.

4. Optisches Gerät nach Anspruch 3, welches außerdem eine Wolfram-Halogenerregerquelle (58) aufweist, um ultraviolettes und sichtbares Licht dem optischen Erregerzweig zu liefern.

5. Optischs Gerät nach Anspruch 4, bei welchem die Wolfram- Halogenquelle eine Wolfram-Halogenglühlampe ist, der ein integraler Reflektor zugeordnet ist, um nach hinten gerichtete Strahlung der Glühlampe nach vorn als einen im wesentlichen parallelisierten Strahl zu richten, der in den direkten von der Lampe ausgehenden Strahl übergeht.

6. Optisches Gerät nach Anspruch 5, bei welchem die Wolfram- Halogenquelle außerdem ein fokusierendes Reflektorelement (52) aufweist und der Erregernzweig eine Blendenöffnung (50) besitzt, wobei das fokussierende Reflektorelement eine vordere brechende Oberfläche (54) und eine verspiegelte ebene rückwärtige Oberfläche (65) besitzt, die in einem Winkel von 45º gegenüber der optischen Achse (X) der Wolfram-Halogenglühlampe angeordnet ist, so daß das Fokussierungsreflektorelement die im wesentlichen parallelisierte Beleuchtung von der Wolfram-Halogenlampe und dem integralen Reflektor (52) empfängt, abknickt und auf die Blendenöffnung (50) fokussiert.

7. Optisches Gerät nach Anspruch 6, bei welchem der optische Erregerzweig und der optische Emissionszweig jeweils optische Lichtdurchlaßmittel aufweisen, die gegenüber ultraviolettem Licht gut durchlässig sind.

8. Optisches Gerät nach Anspruch 7, bei welchem die optischen Lichtdurchlaßmittel im Erregerzweig und im Emissionszweig aus einem Paar von im Abstand zueinander gegenüberliegend angeordneten aspherischen Linsen (36, 38; 40, 42) bestehen, um parallelisiertes Licht in den Bereich der Bandpaßfilter zu liefern.

9. Optisches Gerät nach Anspruch 6, bei welchem die aspherischen Linsen aus optischem Plastikmaterial gefertigt sind, welches gegenüber dem Ultraviolettlicht gut durchlässig ist.

10. Optisches Gerät nach Anspruch 9, bei welchem sich der optische Erregerzweig und der optische Emissionszweig unter einem spitzen Winkel schneiden und die Trennmittel außerdem eine Lichtfalle benachbart zum Schnitt vom optischen Erregerzweig und optischen Emissionszweig aufweisen, um spiegelnd reflektierte Erregerstrahlung zu absorbieren.

11. Optisches Gerät nach Anspruch 10, welches außerdem einen Hauptphotodetektor (76) aufweist, um die emittierte Fluoreszenz zu empfangen und einen Ausgang zu liefern, der kennzeichnend ist für die von der Probe emittierte Fluoreszent plus einem Dunkelsignal, wenn das Filterrad (20) in der ersten Stellung befindlich ist und um nur den Dunkelsignalausgang zu liefern, wenn das Filterrad (20) in der zweiten Stellung befindlich ist.

12. Optisches Gerät nach Anspruch 11, welches außerdem einen Bezugsdetektor (78) aufweist, um die Beleuchtung von der Wolfram-Halogenquelle zu empfangen und ein Ausgangssignal zu liefern, welches kennzeichnend ist für die Erregerbeleuchtung, die von der Wolfram-Halogenquelle geliefert wird, wenn das Filterrad (20) in der ersten Stellung befindlich ist und um einen Rausch- und Dunkelsignalausgang zu liefern, wenn das Filterrad (20) in der zweiten Stellung befindlich ist.

13. Optisches Gerät nach Anspruch 12, bei welchem der Bezugsdetektor (78) fern von dem Erregerzweig angeordnet ist, und das optische Gerät außerdem ein optisches Faser-Pick-Off (86, 88) aufweist, welches stromab des Erregerfilters in dem optischen Erregerzweig (X) angeordnet ist, um gefiltertes Erregerlicht zu empfangen und um dieses Licht dem Bezugsphotodetektor (78) zu liefern.

14. Optisches Gerät nach Anspruch 12, bei welchem der Haupt - und Bezugsphotodetektor (76, 78) als Photodioden ausgebildet sind.

15. Optisches Gerät nach Anspruch 14, bei welchem die beiden angepaßten Paare von Erreger- und Emissionsfilter (44, 46; 102, 104) des Filterrades (20) in einem konischen Pfad um eine Achse drehbar sind, die den spitzen Winkel zwischen dem optischen Erregerpfad und dem optischen Emissionspfad halbiert, wodurch die Filter senkrecht zum Erregerzweig und Emissionszweig liegen, wenn sie darin befindlich sind.

16. Optisches Gerät nach Anspruch 15, bei welchem die Lichtabschirmmittel wenigstens ein ringsum laufendes Labyrinth aufweisen.

17. Optisches Gerät nach Anspruch 16, bei welchem das Labyrinth wenigstens einen zylindrischen Flansch (68, 70) aufweist, der von dem Filterrad (20) verläuft und außerdem eine entsprechende Ausnehmung (72, 74) im Gehäuse (16, 18) zur Aufnahme des Flansches.

18. Optisches Gerät nach Anspruch 17, bei welchem jede der optischen plastischen asherischen Linsen (36, 38, 40, 42) so gestaltet ist, daß das Erregerlicht, welches auf die Probe gerichtet ist, unter einem Freiwinkel von wenigstens 37º gegen - über der Probe ankommt, und der Winkel des am tiefsten reflektierten Lichtes bei wenigstens etwa 33º liegt.

19. Optisches Gerät nach Anspruch 18, bei welchem das Fluormeter ein Immunprobeninstrument ist, welches in der Lage ist, Immunproben von Blutserum und anderen flüssigen biologischen Proben durch Frontoberflächen-Fluoreszenzspektroskopie eines oder mehrerer Probenelemente durchzuführen, wobei das Gerät Mittel aufweist, um ein Probenelement über der Auslöseöffnung des Gehäuses in einer Lage zu halten, in der eine Analyse stattfindet.

20. Optisches Gerät nach Anspruch 18, bei welchem jede der optischen plastischen aspherischen Linsen rechteckig geformt ist, um entlang einem Azimut kompakt ausgebildet zu sein und um den Durhcsatz längs einen orthogonalen Azimuts zu optimieren.

21. Optisches Gerät nach Anspruch 2, bei welchem die Zweige im Querschnitt rechteckig ausgebildet sind.