DE19704731A1 - Meßgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen, insbesondere Chemilumines­ zenz- und/oder Fluoreszenzmessungen an Flüssigproben, mit einem an einer Eintrittsfläche mit aus einer nach oben weisenden Meßöffnung eines Probengefäßes austre­ tendem Meßlicht beaufschlagbaren, insbesondere als Pho­ tomultiplier ausgebildeten Lichtdetektor.

Meßgeräte dieser Art finden vor allem in der chemi­ schen, klinischen und umwelttechnischen Analytik bei Untersuchungen Verwendung, bei denen hohe Sensitivität und Selektivität für die nachzuweisenden Substanzen er­ forderlich ist. Das Nachweisprinzip beruht auf der De­ tektion eines Lichtsignals, welches von einem durch chemische Reaktion oder durch eingestrahltes Anregungs­ licht zur Chemilumineszenz- bzw. Fluoreszenzemission stimulierten Analyten ausgestrahlt wird. Dabei ist es bekannt, aus einem Probengefäß austretendes Meßlicht über eine Blende mit einem Photomultiplier zu erfassen, dessen stirnseitiges Eintrittsfenster konzentrisch mit der Probengefäßöffnung im vertikalen Abstand zu dieser angeordnet ist. Als nachteilig wird hierbei angesehen, daß durch den vertikal nach oben ragenden langgestreck­ ten Photomultiplier die Bauhöhe des Meßgeräts erheblich vergrößert wird. Hinzu kommt, daß die Halterung des De­ tektors bei vertikaler Anordnung erschwert wird.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bei einem ähn­ lichen Meßgerät bekannt, das Meßlicht an der Meßöffnung in ein Lichtleitkabel einzukoppeln, das an seiner Aus­ trittsseite mit dem Photomultiplier verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich zwar Einschränkungen in der An­ ordnung des Photomultipliers umgehen, jedoch treten durch die Verwendung einer Faseroptik neben einer Ver­ schlechterung der Abbildungsqualität beträchtliche Ver­ luste in der Lichtausbeute auf. Außerdem behindert das Lichtleitkabel den ggf. erforderlichen Eingriff von zu­ sätzlichen Bauelementen im Bereich der Meßöffnung.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Meßgerät der eingangs genannten Art dahin­ gehend zu verbessern, daß bei flachem Geräteaufbau eine hohe Nachweisempfindlichkeit erreichbar und eine flexi­ ble Meßführung möglich ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merk­ malskombination des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Kern der Erfindung wird darin gesehen, zumindest das Zentralbündel des nach oben aus dem Probengefäß aus­ tretenden Lichts durch Reflexion in den Eintrittsquer­ schnitt des Lichtdetektors zu lenken. Dies wird dadurch ermöglicht, daß das Meßlicht über einen die Meßöffnung unter Freihaltung eines Zwischenraums überdeckenden Re­ flektor in die Eintrittsfläche des Lichtdetektors um­ lenkbar ist. Bei erreichbarem hohem Reflexionsgrad läßt sich so der überwiegende Anteil des Meßlichts erfassen, ohne daß Nachteile bei der Anordnung des Detektors in Kauf genommen werden müßten. Auch läßt sich aufgrund der divergenten Lichtausbreitung in dem Zwischenraum zwischen der Meßöffnung und der die Meßöffnung überspan­ nenden Reflektorfläche auf einfache Weise eine homogene Abbildung der Lichtaustrittsfläche des Probengefäß auf die im allgemeinen größere Lichteintrittsfläche des De­ tektors erreichen. Zudem können in den Zwischenraum ein­ greifende, für eine flexible Meßführung benötigte wei­ tere Bauelemente, insbesondere zur Injektion von Reagen­ zien oder Einstrahlung von Anregungslicht, in günstiger Weise angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Eintrittsfläche des Lichtdetektors oberhalb des Probengefäßes senkrecht zu dessen Meßöffnung angeord­ net. Damit läßt sich bei Verwendung eines Photomulti­ pliers als Lichtdetektor dessen langgestreckte Röhre horizontal liegend anordnen, so daß das Gerät insgesamt niedrig gebaut werden kann. Auch eine geneigte Anord­ nung der Eintrittsfläche des Photomultipliers bezüglich der Meßöffnung bietet noch einen Vorteil in dieser Hin­ sicht.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der Reflektor bei geeig­ neter Formgebung so angeordnet ist, daß das Meßlicht als Lichtbündel umgelenkt wird, das die Eintrittsfläche des Lichtdetektors im wesentlichen ausleuchtet, wobei die Zentralachse des reflektierten Lichtbündels zur Ver­ ringerung von Randstrahlverlusten senkrecht auf der Ein­ trittsfläche steht. Der Reflektor kann dazu eine zumin­ dest im Bereich über der Meßöffnung konkav, insbesondere sphäroidisch oder parabolisch gekrümmte Reflektorfläche aufweisen, so daß auch Randstrahlen mit nur einer Refle­ xion in achsnahe Richtungen des Lichtdetektors umge­ lenkt werden.

Um eine möglichst homogene Abbildung der Lichtaustritts­ fläche des Probengefäßes auf die Eintrittsfläche des Lichtdetektors zu erreichen, ist der Reflektor vorteil­ hafterweise spiegelsymmetrisch zu einer durch die Zen­ tralachse des einfallenden und reflektierten Meßlichts aufgespannten Mittelhochebene ausgebildet.

In baulicher Hinsicht ist es günstig, wenn der Reflektor als Tiefziehformteil ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß der Reflektor als Planspie­ gel eine ebene Reflektorfläche aufweist. Dabei ist es für die Lichtübertragung von Vorteil, wenn der Planspie­ gel unter einem spitzen, vorzugsweise 45° betragenden Winkel bezüglich der Meßöffnung des Probengefäßes und der Eintrittsfläche des Lichtdetektors geneigt angeord­ net ist.

Um einen hohen Reflexionsgrad im interessierenden, ins­ besondere auch blauen Spektralbereich zu erzielen, kann der Reflektor eine durch eine aus Aluminium bestehende Metallschicht gebildete Reflektorfläche aufweisen. Eine chemische Beeinträchtigung der Reflektorfläche läßt sich dadurch verringern, daß sie mit einer das Meßlicht transmittierenden Schutzschicht insbesondere aus Sili­ ciumdioxid versehen ist.

In einer vorteilhaften Bauweise ist der Reflektor an oder in einem Tragkörper fixierbar, welcher zugleich Fremdlicht abschirmt. Um auch das Lichtübersprechen zwi­ schen benachbarten Probengefäßen zu verringern, kann der Tragkörper eine die Meßöffnung randseitig umschlie­ ßende, konisch nach oben zu dem Reflektor hin sich er­ weiternde Blendenöffnung aufweisen. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Tragkörper an einer Bohrung, insbeson­ dere einer durch eine Dichtung gegen das Eindringen von Fremdlicht abgeschirmten Stufenbohrung auf das eintritts­ seitige Ende des Photomultipliers aufsetzbar und fest mit diesem verbindbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung weist der Tragkörper und/oder der Reflektor min­ destens einen Einführkanal zur Aufnahme eines Lichtleit­ kabels oder einer durch eine Kanüle oder einen Schlauch gebildeten Injektionsleitung auf. Damit ist es möglich, in der Meßposition die Lichtemission der Probe auszulö­ sen bzw. zu beeinflussen, was sich insbesondere bei zeitaufgelösten Messungen vorteilhaft auswirkt. Um da­ bei den Strahlengang des Meßlichts von Hindernis sen weitgehend freizuhalten, läuft der mindestens eine Ein­ führkanal vorteilhafterweise in einer Querrichtung zur Mittelhochebene des Reflektors. Eine günstige Eingriffs­ position läßt sich dadurch erreichen, daß die freien Enden von in den Einführkanälen geführten Lichtleitka­ beln und/oder Injektionsleitungen unter einem Winkel von 20° bis 30°, vorzugsweise 25° bezüglich der Verti­ kalen bis in die von der Mittelhochebene des Reflektors abgewandten Randbereiche der Meßöffnung ragen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Meßgerät zur Durchführung von Lumineszenz­ messungen in einer teilweise geschnittenen Sei­ tenansicht;

Fig. 2 einen an der Eintrittsseite eines Lichtdetek­ tors des Meßgeräts nach Fig. 1 angeordneten, mit einem Planspiegel als Reflektor bestückba­ ren Tragkörper in einem Vertikalschnitt;

Fig. 3a bis 3c eine weitere Ausführungsform eines Trag­ körpers in Draufsicht, Seitenansicht und Stirn­ seitenansicht;

Fig. 4a bis 4c einen in den Tragkörper nach Fig. 3 ein­ setzbaren Reflektor in einer Fig. 3 entspre­ chenden Darstellung; und

Fig. 5 den Tragkörper nach Fig. 3 mit eingesetztem Re­ flektor gemäß Fig. 4 in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht.

Das in der Zeichnung dargestellte Meßgerät läßt sich sowohl für Chemilumineszenz- als auch Fluoreszenzmes­ sungen an Flüssigproben einsetzen und besteht im we­ sentlichen aus einem in einem Schutzgehäuse 10 horizon­ tal liegend angeordneten Photomultiplier 12, einem an der Eintrittsseite des Photomultipliers aufgesetzten Tragkörper 14, einem an dem Tragkörper 14 fixierbaren Reflektor 16 und einer Positioniereinrichtung 18, 20 zur Positionierung der Probengefäße 22 einer Proben­ platte 24 in einer dem gerätefesten Photomultiplier 12 zugeordneten Meßposition.

Die zylindrischen Probengefäße 22 der als Mikrotest­ platte ausgebildeten Probenplatte 24 sind matrixartig angeordnet und besitzen eine nach oben weisende Meß­ öffnung 26, über die das durch eine Lumineszenzreaktion oder eine Fluoreszenzanregung entstehende Lumineszenz­ licht als zu messendes Licht (kurz: Meßlicht) nach oben austreten kann. Zur Positionierung der einzelnen Pro­ bengefäße 22 in einer Meßposition dient ein X-Y-Ver­ schiebemechanismus 18, auf dem die Probenplatte 24 fi­ xierbar ist, und der mittels einer Antriebseinheit 20 automatisch betätigbar ist.

Das in der Meßposition befindliche Probengefäß 22 fluch­ tet an seiner Meßöffnung 26 mit einer konisch nach oben sich erweiternden Blendenöffnung 28, die an einer flä­ chig auf der Probenplatte aufliegenden Blendenplatte 32 ausgebildet ist. Die Blendenplatte 32 steht als Fortsatz an einem Verbindungsstück 30 des Tragkörpers 14 über, das an einer am rückwärtigen Stirnende erweiterten Stu­ fenbohrung 34 auf das entsprechend zylindrisch abgestuf­ te Eintrittsende des Photomultipliers 12 aufsetzbar ist. Die Zentralachse der Stufenbohrung 34 schneidet die ent­ sprechende Achse der Blendenöffnung 28 senkrecht. Damit ist auch die Eintrittsfläche des Photomultipliers 12, die durch ein vertikal sich erstreckendes kreisförmiges Eintrittsfenster 36 gebildet ist, senkrecht zu der Meß­ öffnung 26 des in der Meßposition befindlichen Proben­ gefäßes 22 angeordnet.

Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform weist der einstückig aus Kunststoff ausgebildete Tragkörper 14 dreieckförmige Seitenwände 38 auf, welche sich seit­ lich von dem Eintrittsfenster 36 zwischen der Blenden­ platte 32 und dem Verbindungsstück 30 erstrecken. Die Seitenwände 38 besitzen an einer unter einem Winkel von 45° schräg angestellten freien Seite eine Stufenkante 40 zur Aufnahme des Reflektors 16, der als rechteckiger Planspiegel ausgebildet ist. Der Tragkörper 14 und der darauffixierte Planspiegel 16 begrenzen somit einen zu der Meßöffnung 26 und dem Eintrittsfenster 36 hin rand­ offenen, im übrigen jedoch lichtdicht abgedichteten Re­ flektorraum 42. Das aus der Meßöffnung 26 in den Reflek­ torraum 42 aus tretende Meßlicht wird zum überwiegenden Teil an dem Planspiegel 16 reflektiert und tritt als divergentes Lichtbündel durch das Eintrittsfenster 36 in den Photomultiplier 12 ein. Dabei wird in der gewähl­ ten Anordnung der Zentralstrahl des Meßlichts in Rich­ tung der Längsachse des Photomultipliers 12 reflektiert.

Um in der Meßposition Reagenzien zur Auslösung der Che­ milumineszenz oder Licht zur Fluoreszenzanregung der Probe in das zu messende Probengefäß 22 einbringen zu können, weist der Tragkörper 14 Einführkanäle 44 auf, welche die Seitenwände 38 schräg zur Mittelhochebene 46 des Tragkörpers 14 bzw. des Reflektors 16 durchdringen. Durch die Einführkanäle 44 hindurch ist ein Lichtleit­ kabel 47 und eine Injektionskanüle 48 bis an den unte­ ren Randbereich der Blendenöffnung 28 geführt.

Die in den Fig. 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Aus­ führungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß der Re­ flektor 16 als räumlich gekrümmtes Formteil ausgebildet ist, und daß der Tragkörper 14 den Reflektor 16 an des­ sen Außenseite umschließt und dadurch vor mechanischer Beschädigung schützt. Der in Fig. 4a bis 4c in verschie­ denen Ansichten gezeigte Reflektor 16 besitzt im wesent­ lichen die Form eines Sphäroidausschnitts. Die aufeinan­ der senkrecht stehenden, U-förmigen Stirnflächen 49, 51 weisen ein Ringsegment 52 auf, an dessen Enden sich zwei zueinander parallele Schenkel 50 anschließen. Die räum­ liche Form des Reflektors 16 ergibt sich durch 90°-Drehung der beschriebenen Stirnfläche um eine durch die freien Enden der Schenkel 50 verlaufende Achse. An sei­ ner konkav gekrümmten, die optisch wirksame Reflektor­ fläche 54 bildenden inneren Seite ist der Reflektor 16 durch aufgedampftes Aluminium verspiegelt und mit einer zusätzlichen Schutzschicht aus aufgespattertem Quarz versehen.

Der in Fig. 3a bis 3c dargestellte Tragkörper ist wie­ derum einstückig aus Kunststoff ausgebildet und besitzt eine der Grundform nach quaderförmige Gestalt. Zur Auf­ nahme des Reflektors 16 ist eine tunnelförmige Ausnehmung 56 vorgesehen, die sich in Verlängerung der Stu­ fenbohrung 34 bis zu einer Randöffnung 58 erstreckt. Der lichte Querschnitt der Ausnehmung 56 entspricht der Außenkontur der Stirnfläche 51 des Reflektors 16, so daß dieser durch die Öffnung 58 hindurch in der in Fig. 5 gezeigten Anordnung in den Tragkörper 14 einsetzbar ist. Im Einbauzustand dichten die Stirnflächen 49, 51 nach unten zu der Blendenplatte 30 und zu der stirnsei­ tigen Randbegrenzung der vereinfacht durch ihre Stirn­ öffnungen dargestellten Stufenbohrung 34 lichtdicht ab. Der Reflektor 16 und der Tragkörper 14 begrenzen so ei­ nen Reflektorraum 42, der über die Blendenöffnung 28 zu dem Probengefäß und über die Stufenbohrung 34 zu dem Eintrittsfenster 36 des Photomultipliers 12 hin geöff­ net ist.

Durch die Reflektorform und -anordnung wird erreicht, daß der Zentralstrahl des aus der Meßöffnung 26 austre­ tenden Meßlichts in Richtung der Längsachse des Photo­ multipliers 12 in dessen Eintrittsfenster 36 reflektiert wird. Die Randstrahlen des Meßlichts werden an der ge­ krümmten Reflektorfläche 54 in achsennähere Richtungen umgelenkt, so daß bei geringen Lichtverlusten das Ein­ trittsfenster 36 im wesentlichen vollständig und weitge­ hend homogen durch das reflektierte Lichtbündel ausge­ leuchtet wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, Injektionskanülen und/oder Lichtleitkabel über seitlich durch den Tragkörper 14 und den Reflektor 16 hindurchgeführte, nicht gezeigte Einführkanäle in den Reflektorraum 42 einzubringen.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung betrifft ein Meßgerät zur Durchführung von Chemi­ lumineszenz- und/oder Fluoreszenzmessungen an Flüssig­ proben, die in Probengefäßen 22 einer Probenplatte 24 enthalten sind. Zur Erfassung des aus einem in einer Meßposition befindlichen Probengefäß 22 an einer oberen Meßöffnung 26 austretenden Meßlichts ist ein Photomulti­ plier 12 vorgesehen, welcher zu Erzielung eines flachen Geräteaufbaus liegend angeordnet ist. Um das Meßlicht in das Eintrittsfenster 36 des Photomultipliers 12 umzu­ lenken, ist ein an einem Tragkörper 14 dem Photomulti­ plier 12 vorgeordneter Reflektor 16 vorgesehen, welcher zumindest die Meßöffnung 26 des zu messenden Probenge­ fäßes 22 im Abstand überdeckt.

Claims (16)

1. Meßgerät zur Durchführung von Lumineszenzmessungen, insbesondere Chemilumineszenz- und/oder Fluoreszenz­ messungen an Flüssigproben, mit einem an einer Ein­ trittsfläche (36) mit aus einer nach oben weisenden Meßöffnung eines Probengefäßes (22) austretendem Meßlicht beaufschlagbaren, insbesondere als Photo­ multiplier ausgebildeten Lichtdetektor (12), da­ durch gekennzeichnet , daß das Meßlicht über einen die Meßöffnung (26) unter Freihaltung eines Zwi­ schenraums (42) überdeckenden Reflektor (16) in die Eintrittsfläche (36) umlenkbar ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (36) des Lichtdetektors (12) oberhalb des Probengefäßes (22) senkrecht zu dessen Meßöffnung (26) oder zu der Meßöffnung (26) hin geneigt angeordnet ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reflektor (16) das Meßlicht als vorzugsweise paralleles oder divergentes Lichtbün­ del in die Eintrittsfläche (36) umlenkt, so daß die Zentralachse des reflektierten Lichtbündels etwa senkrecht auf der Eintrittsfläche (36) steht.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) spiegelsymme­ trisch zu einer durch die Zentralachse des einfal­ lenden und reflektierten Meßlichts aufgespannten Mittelhochebene (46) ausgebildet ist.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) eine zumin­ dest im Bereich über der Meßöffnung (26) konkav, insbesondere sphäroidisch oder parabolisch gekrümm­ te Reflektorfläche (54) aufweist.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) als Tiefzieh­ formteil ausgebildet ist.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) als Planspie­ gel eine ebene Reflektorfläche aufweist.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel (16) unter einem spitzen, vor­ zugsweise 45° betragenden Winkel bezüglich der Meß­ öffnung (26) des Probengefäßes (22) und der Ein­ trittsfläche (36) des Lichtdetektors (12) geneigt angeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) eine durch eine vorzugsweise aus Aluminium bestehende Metall­ schicht gebildete Reflektorfläche (54) aufweist.

10. Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche (54) mit einer das Meßlicht transmittierenden, vorzugsweise aus aufgespattertem SiO₂ bestehenden Schutzschicht versehen ist.

11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) an oder in einem Tragkörper (14) fixierbar ist, welcher zu­ gleich Fremdlicht abschirmt.

12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (14) eine die Meßöffnung (26) randseitig umschließende, konisch nach oben zu dem Reflektor (16) hin sich erweiternde Blendenöffnung (28) aufweist.

13. Meßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (14) an einer Bohrung (34), ins­ besondere einer durch eine Dichtung gegen das Ein­ dringen von Fremdlicht abgeschirmten Stufenbohrung auf das eintrittsseitige Ende des Photomultipliers (12) aufsetzbar und fest mit diesem verbindbar ist.

14. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (14) und/oder der Reflektor (16) mindestens einen Einführkanal (44) zur Aufnahme eines Lichtleitkabels (47) oder einer durch eine Kanüle oder einen Schlauch gebilde­ ten Injektionsleitung (48) aufweisen.

15. Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Einführkanal (44) quer zur Mittelhochebene (46) des Reflektors verläuft.

16. Meßgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Einführkanälen geführte Lichtleitkabel (47) und/oder Injektionsleitungen (48) unter einem Winkel von 20°-30°, vorzugsweise 25° zur Vertikalen bis in die von der Mittelhochebene (46) des Reflek­ tors (16) abgewandten Randbereiche der Meßöffnung (26) ragen.