DE2613256A1 - Verstaerkungsreguliersystem fuer eine fotovervielfacherroehre - Google Patents

Description

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Verstärkungsregulier-System für eine Fotovervielfacherröhre

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fotometersystem, und zwar insbesondere eine Fotovervielfacherröhre.

Im Rahmen des Molekular-Anatomie-Programms ( Molecular Anatomy Program) des HoIifield National Laboratory in den U.S.A. wurden klinische Verfahren zur Analyse von Biomaterialien auf einem molekularen Niveau entwickelt. Der dabei entwickelte GeMSAEC-Schnellanalysator, eine Art von Zentrifuge, ist eines der Ergebnisse des Programms. Die Zentrifuge ist in der Lage, die Inhalte oder Bestandteile von in gesonderten Küvetten an einem Rotor angeordneten winzigen Proben zu analysieren. Die Proben werden um eine Lichtquelle herum verdreht und die Analyse wird unter Durchführung einer der vier Meßarten durchgeführt, und zwar wird festgestellt, welche Lichtmenge die Probe 1) absorbiert, 2) zur Fluoreszenz bringt, 3) streut und 4) Chemolumineszenz hervorruft. Die Messungen werden im Analysator mit einer Fotovervielfacherröhre durchgeführt.

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Bei bekannten Schaltungen zur Steuerung der Verstärkung des Fotovervielfachers liegen zwei Hauptprobleme vor. Eine bekannτ te Schaltung ist im U.S. Patent 3 783 300 beschrieben. Ein Problem ist dabei die für den Steuerer erforderliche Zeit zur Einstellung der Verstärkung der Fotovervielfacherröhre. Es ist nämlich wichtig, daß man die Analyse so schnell wie möglich beginnt, weil in den Küvetten in weniger als 3/10 einer Sekunde Reaktionen erfolgen können. Beim bekannten Verfahren zur Einstellung der Verstärkung der Fotovervielfacherröhre werden ungefähr 1,5 Sekunden benötigt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Reaktion bereits einen stetigen Zustand erreicht haben und wertvolle Information geht verloren. Die im folgenden zu beschreibende Erfindung ermöglicht den Analysebeginn nach 3 oder 4 Umdrehungen des Rotors. Das bedeutet nach annähernd 0,2 Sekunden bei einer Rotordrehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute.

Ein weiteres Problem bekannter Systeme besteht darin, daß die Bezugsküvette oder Referenzküvette einfaches Wasser sein muß. Die Steuervorrichtung für die bekannte Fotovervielfacherröhre kann nur einfaches Wasser in der ersten Küvette als Bezugsgrösse verwenden. Andere Bezugslösungen oder Referenzlösungen haben die Tendenz, eine gewisse Instabilität oder ein Rauschen während des Betriebs hervorzurufen. Eine kleine Änderung der Bezugsküvette ruft ein großes Ansprechen im Rückkopplungsmechanismus des Analysators hervor. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Bezugsgröße eine fluoreszente Lösung ist, die einen kleinen Fluoreszenanstieg für eine kurze Zeit zeigt. Das bekannte Steuersystem spricht auf diesen kleinen Anstieg durch Verringerung der Resultate an, die in den der Analyse unterworfenen Küvetten erhalten werden. Auf diese Weise zerstört eine kleine Änderung der Bezugslösung die Analyseresultate der anderen Küvetten stark.

Es besteht somit ein Bedürfnis, ein System zur Regulierung der Verstärkung der Fotovervielfacherröhre eines fotometrischen Lösungsanalysators vorzusehen, wobei die Verstärkung auf einen gewünschten oder erforderlichen Pegel in einem kürzeren Zeitintervall eingestellt werden kann, und wobei der Analysator nicht

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auf die Verwendung einer reinen wasserenthaltenden Küvette als Bezugsgröße beschränkt ist.

Die Erfindung hat sich demgemäß das Ziel gesetzt/ ein verbessertes System zur Regulierung oder Einstellung der Verstärkung der Fotovervielfacherröhre eines fotometrischen Lösungsanalysators derart vorzusehen, daß diese Einstellung innerhalb eines kurzen Zeitintervalls erfolgen kann, und daß keine Beschränkung auf die Verwendung einer nur Wasser enthaltenden Küvette als Bezugsgröße vorliegt.

Das obige Ziel wurde gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Vorsehen eines Steuersystems erreicht, bei welchem dann, wenn der Analysator eingeschaltet wird und eine Analyse begonnen wird, eine Vergleichsvorrichtung im Steuersystem beginnt, den Spannungspegel des Signals von der Analysator-Fotovervielfacherröhre mit einer einstellbaren Vergleichsspannung zu vergleichen. Unmittelbar nach dem Überschreiten der Bezugsspannung durch das Fotovervielfacherröhren-Ausgangsspannungssignal signalisiert die Vergleichsvorrichtung einem Einstell/Rückstell-Flip-Flop ein Gatter zu öffnen, welches zwischen einen Oszillator und eine Hochspannungsversorgungs-Schaltung für die Fotovervielfacherröhre eingeschaltet ist. Sobald das Gatter einmal geöffnet ist, hält die Hochspannungsversorgungs-Schaltung eine konstante Verstärkung in der Fotovervielfacherröhre während des gesamten Laufs des Analysators aufrecht.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung; die Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm des Steuersystems zur Regulierung der Fotovervielf acherröhrenverstärkung in einem GeMSAEC-Analysator.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Verwendung mit dem schnellen fotometrischen Lösungsanalysator gemäß U.S. Patent 3 555 284, dem miniaturisierten Schnellanalysator gemäß U.S. Patent 3 798 459 sowie mit anderen ähnlichen Fotometer--

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systemen entwickelt.

Der in der Zeichnung dargestellte Analysator 27 kann beispielsweise irgendeiner der in den genannten U.S. Patenten beschriebenen Analysatoren sein. Die Hochspannung für die Fotovervielfacherrohre 26 des Analysators 27 wird durch die Leistungsversorgung 25 geliefert, die in der zu beschreibenden Weise gesteuert oder geregelt ist. Ein piezoelektrischer Kristalloszillator 21 wird durch eine Leistungsversorgung dann aktiviert, wenn ein Schalter 11 geschlossen ist. Wenn der Schalter 11 geschlossen ist, wird ferner Leistung zum Betrieb der anderen Komponenten des Analysators 27 von der Leistungsversorgung 10 über den Schalter 11 und die Leitung 12 geliefert.

Ein Gatter 22 ist mit dem Ausgang des Oszillators 21 durch eine Leitung 20 gekoppelt, wobei das Gatter 22 ferner über eine Leitung 18 mit einer 10-Bit-BinärZählereinheit 23 verbunden ist. Ein Einstell/Rückstell-Flip-Flop 29 liegt am Gatter 22, um den Öffnungs- und Schließ-Zustand zu steuern. Das Flip-Flop 29 wird mittels eines Startschalters 13 gesetzt, der, wenn er geschlossen ist, einen Kreis zwischen einem positiv vorgespannten Widerstand 17 und Erde schließt. Wenn das Flip-Flop 29 auf diese Weise gesetzt ist, so bewirkt es das Schließen des Gatters 22 derart, daß die Impulse vom Oszillator 21 durch das Gatter 22 zum 10-Bit-Binärzähler 23 laufen. Der Zähler zählt und speichert diese Information bis zu einem Maximum von 1024 Impulsen. Die diskreten Impulse werden in einen Gleichstrom mit einem Spannungsbereich von 0 bis 10 Volt mittels einer Digital-zu-Analog-Konvertereinheit 24 umgewandelt. Die Spannungsausgangsgröße der Einheit 24 ist direkt proportional zur Größe der Eingangsgröße vom Zähler 23. Wenn somit die Eingangsgröße 512 Impulse ist, so wird die Spannungsausgangs größe 5 Volt sein. Wenn die Eingangsgröße 1024 ist, so wird die Ausgangsgröße 10 Volt, usw. sein.

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Wenn .das Signal einmal durch die Einheit 24 in Gleichstromsignal umgewandelt ist, so wird es der Gleichstrom/Gleichstrom-HochspannungsVersorgung 25 zugeführt, wo es verstärkt wird. Die Hochspannungsversorgung steht, wie erwähnt, mit der Fotovervielfacherröhre 26 in dem GeMSAEC-Analysator 27 über eine Leitung 19 in Verbindung. Das verstärkte Signal bestimmt die Spannungsverstärkung in der Fotovervielfacherröhre 26. Als nächstes wird das Ausgangsspannungssignal von der Röhre 26 in einer Vergleichsvorrichtung 28 mit einer Bezugsspannung von einer einen einstellbaren Spannungspegel aufweisenden Quelle verglichen,die zwischen Erde und einer Leistungsversorgung liegt. Die Bezugsspannung wird auf einen gewünschten Wert, abhängig von der Art der Messung, die der Analysator 27 durchführt, eingestellt. Im folgenden ist eine Liste der verschiedenen Arten von möglichen Lichtmessungen angegeben, die durch den Analysator durchgeführt werden können, wobei auch der Spannungsbereich für jede Messung angegeben ist.

Art der Messung Spannungsbereich

Absorption 275-325 Volt Gleichspannung

Lichtstreuung 575-625 V Gleichspannung

Fluoreszenz 875-925 V Gleichspannung

Chemilumineszenz 800-1000 V Gleichspannung

Wenn das Ausgangsspannungssignal von der Fotovervielfacherröhre 26 gleich oder größer ist als die Bezugsspannung, so bedeutet dies, daß die Verstärkung an der Fotovervielfacherröhre groß genug ist und auf diesem Pegel gehalten werden sollte, und zu diesem Zeitpunkt signalisiert die Vergleichsvorrichtung 28 dem damit verbundenen Flip-Flop 29. Nachdem das Flip-Flop 29 ein Signal von der Vergleichsvorrichtung 28 empfängt, öffnet es durch Signalgabe das Gabter 22. Wenn das Gatter 22 einmal geöffnet ist, so behält der Binärzähler 23 seinen Zählerstand für den gesamten Lauf des Analysators 27 und hält auf diese Weise eine konstante Verstärkung der Fotovervielf acherröhre 26 während dieser Zeit aufrecht. Wenn die Analyse sämtlicher Probenküvetten vollendet ist, so empfängt der 10-Bit-Binärzähler 23 einen Impuls über Leiter 16 vom

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Analysator 27, der die Ausgangsgröße des Zählers auf Null zurückstellt. Auf diese Weise wird das System für äep. nächsten Analysator-Lauf vorbereitet.

Es sei bemerkt/ daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines auf die lediglich Wasser enthaltende Küvette zurückgehenden Signals vom Analysator als Bezugsgröße beschränkt ist, eines Signals also, wie dies bei der Schaltung gemäß U.S. Patent 3 783 300 infolge von RückkopplungsSchwierigkeiten der Fall ist. Die vorliegende Erfindung benötigt keine Rückkopplungsvorrichtung, wie dies bei der Schaltung gemäß dem genannten Patent der Fall ist, so daß eine fluoreszente und lichtstreuende Lösung als eine Bezugsgröße verwendet werden kann, und die Bezugsgrößenlösung kann in irgendeiner ' Küvette des Analysator-Rotors sich befinden, wodurch Rauschen im System der vorliegenden Erfindung praktisch eliminiert wird.

Das erfindungsgemäße Steuersystem kann die Verstärkung der Analysator-Fotovervielfaqherröhre nach drei oder vier Umdrehungen des Rotors einstellen, was ungefähr 0,2 Sekunden bei einer Rotofdrehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute erfordert, so daß der Analysator eine Analysefolge zu diesem Zeitpunkt beginnen kann. Im Gegensatz dazu braucht die Schaltung gemäß dem obengenannten Patent ungefähr 1,5 Sekunden zur Einstellung der Verstärkung, wobei zu diesem Zeitpunkt die Reaktionen in den Küvetten einen stetigen Zustand erreicht haben können, .so daß wertvolle Information verlorengegangen ist.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung an Hand eines Beispiels beschrieben wurde, daß die Erfindung aber auch auf anderen Gebieten als dem beschriebenen verwendbar ist.

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Claims (5)

1. Ansprüche

   1 .) Analytische Fotometervorrichtung mit einem

   Mehrküvetten-Rotor, der mit einer Vielzahl von Küvetten zur Aufnahme der entsprechenden Proben und Reagenzien zur Mischung und Reaktion derselben ausgestattet ist, und wobei Mittel zur Drehung des Rotors mit einer gewünschten ausgewählten hohen Drehzahl vorgesehen sind, wobei ferner ein stationäres Fotometersystem zum Abtasten sämtlicher Küvetten während der Rotordrehung vorgesehen ist, und wobei eine Auslesevorrichtung mit dem Ausgang des Fotometersystems in Verbindung steht, um das von jeder der Küvetten während des Betriebs des Systems empfangene Signal auszuwerten, und wobei das Fotometersystem eine Fotovervielfacherröhre aufweise, dadurch gekennzeichnet , daß eine Steuerschaltung zur Einstellung der Verstärkung der Fotovervielfacherröhre einen Oszillator (21), einen 10-Bit-Binärzähler (23), ein zwischen dem Oszillator und den Zähler geschaltetes Gatter

   (22) sowie einen Digital/Analog-Umwandler (24) am Ausgang des Zählers und eine Gleichspannungs/Gleichspannungs-Hochspannungsversorgung (25) aufweist,. die mit dem Ausgang des Konverters

   (24) gekuppelt ist, der eine DC-Ausgangsgröße an die Hochspan-

   nungsVersorgung (25) direkt proportional zur Größe der Eingangsgröße vom Zähler liefert, und wobei die Ausgangsgröße der Hochspannungsversorgung mit dem Eingang der Fotovervielfacherröhre (26) in Verbindung steht, und wobei ferner eine Vergleichsvorrichtung (28) vorgesehen ist, die als eine Eingangsgröße eine einstellbare Bezugsspannung (14,. 15) aufnimmt, während die Ausgangsgröße der Fotovervielfacherröhre als zweite Eingangsgröße mit der Vergleichsvorrichtung gekuppelt ist, und wobei schließlich ein Einstell/Rückstell-Flip-Flop (29) vorgesehen ist, welches als eine Eingangsgröße die Ausgangsgröße der Vergleichsvorrichtung aufnimmt, und wobei ferner ein Startschalter (13), ein positiv vorgespannter Widerstand (17) als zweite Eingangsgröße mit dem Flip-Flop (22) verbunden ist, und wobei der Startschalter im geschlossenen Zustand den Widerstand mit Erde verbindet, und wobei ferner die Ausgangsgröße des Flip-Flop mit dem Gatter (22) derart gekuppelt ist, daß dann, wenn der -

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   Startschalter geschlossen ist, das Flip-Flop das Schließen des Gatters bewirkt, um das Hindurchgehen von Impulsen vom Oszillator (21) zum Binärzähler (23) zu gestatten, wodurch dann, wenn die Ausgangsspannung von der Fotovervielfacherrohre gleich oder größer ist als die Bezugsspannung abgefühlt durch die Vergleichsvorrichtung, dann die Vergleichsvorrichtung ein Signal an das Flip-Flop anlegt, um einen Öffnen des Gatters derart zu bewirken, daß die im Zähler gespeicherten Impulse dann eine konstante Verstärkung für die Fotovervielfacherrohre erzeugen, und zwar für einen vollständigen Analyselauf des Analysators.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung auf einen gewünschten Wert eingestellt ist, und zwar abhängig davon, welche der vier möglichen Meßarten durch den Analysator durchgeführt werden soll.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Meßarten durch die Lichtmenge bestimmt sind, welche eine Probe absorbiert, fluoresziert, streut oder chemilumines ζ iert.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte konstante Verstärkung durch die Steuerschaltung ungefähr O,2 Sekunden nach dem Schließen des Startschalters bewirkt ist.
5. 5. Vorrichtung insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotovervielfacherrohre (26) des Analysatörs (27) mit einer Vergleichsvorrichtung (28) sowie einer Hochspannungsversorgung (25) in Verbindung steht, wobei die Vergleichsvorrichtung (28) an einem Eingang eines Flip-Flop (29) liegt, das seiners.eits ein Gatter (22) steuert, dessen anderer Eingang mit einem Oszillator (21) verbunden ist, und wobei das Gatter

   (22) einen vom Analysator (27) über Leitung (16) steuerbaren Zähler (23) betätigt, der mit einer Digital/Analog-Konvertereinheit (24) in Verbindung steht, die ihrerseits die bereits

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   erwähnte Hochspannungsversorgung (25) betätigt.

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