DE3630351A1 - Optische vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung, die einen Übergang zwischen optischen numerischen Aperturen schafft und diese durchgehend erhält, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte optische Vorrichtung zur Durchführung von chemichen und biochemischen Untersuchungen.

Von der Vielfalt chemischer und biochemischer Techniken, die zur Analyse oder zur Untersuchungen benutzt werden, hat sich ein optisches System als besonders zweckmäßig erwiesen, welches die Prinzipien der Spektroskopie mit abgeschwächter innerer Totalreflexion benutzt (ATR-Spektroskopie). Ein solches optisches System ist insbesondere nützlich für Immununtersuchungen, wobei ein faseroptischer Wellenleiter benutzt wird, auf dessen äußerer Oberfläche teilweise kovalent ein Antikörper immobilisiert wird, der in einer Testlösung mit einem Antigen reagiert. Ein an einem Ende des Wellenleiters eingeführter Lichtstrahl wird in dem dichten Medium des Wellenleiters innen total reflektiert und erzeugt eine elektromagnetische Wellenform, die als abklingende Wellenkomponente bekannt ist. Letzterer Abschnitt erstreckt sich im charakteristischen Fall nur über einen Teil der Wellenführung über der Zwischenfläche zwischen der Wellenführung und der Prüflösung. Das Eindringen ist jedoch ausreichend, um ein im wesentlichen optisches Zusammenwirken zwischen der abklingenden Wellenkomponente und den immobilisierten Antikörpern zu ermöglichen, mit denen die Antigene in der Testlösung einen Komplex bilden und nur in minimaler Weise mit der Lösung, in der die Antigene vorhanden sind, reagieren. Eine solche optische Zusammenwirkung erlaubt dann eine Untersuchung des Antigens. Es ist eine Zahl solcher Systeme bekannt, die eine Spektrumskopie mit innerer Totalreflexion zur Untersuchung benutzen, und Beispiele hierfür finden sich in der US-PS 41 33 639. Hier ist ein System beschrieben, welches die Fluoreszenz mißt, die durch optisches Zusammenwirken induziert wird; die US-PS 40 50 895 beschreibt ein System basierend aus einer Absorption der abklingenden Welle durch den Analyten; die US-PS 43 21 057 und 43 99 099 beschreiben beide Systeme, die Änderungen in der Strahlung feststellen, die durch die Faser geschickt wird; die US-PS 44 47 546 beschreibt eine Fluoreszenz- Immunountersuchungssystem.

Eine Zahl von Faktoren bestimmten die Empfindlichkeit solcher Systeme. Einer der wichtigsten Faktoren ist der, wonach die Empfindlichkeit rasch mit der numerischen Apertur (NA) der Faser an der Stelle in Berührung mit dem Umgebungsmedium, das zu untersuchen ist, annsteigt. Die Empfindlichkeit ist eine Funktion mit der achtfachen Abhängigkeit der numerischen Apertur bei niedrigem Wert derselben und mit einer geringeren, aber bedeutsamen Abnahme bei hoher Aperturwerten. Die numerische Apertur (NA) kann definiert werden als

dabei ist n ₂ der Brechungsindex des Medium, (im typischen Falle Luft), durch die die Strahlung anfänglich fortschreitet, so daß sie auf das Eintrittsende der Faser auftrifft und B ist der maximale Akzeptanzwinkel der Strahlung am Eingangsende jeder Faser. Diese Gleichung (1) definiert die numerische Apertur am Fasereingang.

Die numerische Apertur kann auch definiert werden als:

dabei ist n ₀ der Brechungsindex des Faserkerns und n ₁ ist der Brechungsindex des um die Faser herum befindlichen Mediums (im wesentlichen der Brechungsindex der Probe oder der Lösung, in der das Antigen angeordnet ist). Die Gleichung (2) kann demgemäß benutzt werden, um die numerische Apertur am Berührungspunkt zwischen Faser und zu untersuchender Flüssigkeit zu bestimmen. Für eine solche Faser ist die numerische Apertur dort, wo das Umgebungsmedium die Faser berührt, am hochsten wenn das Faserkernmaterial einen sehr hohen Brechungsindex besitzt und das die Faser umgebende Material einen sehr geringen Brechungsindex hat. D. h. wenn n ₀ » n ₁ ist. Beispielsweise können zufriedenstellende Empfindlichkeiten erlangt werden, wenn eine Glasfaser mit einem gewöhnlichen Brechungsindex von einer wässrigen Lösung umgeben ist, die im typischen Fall einen Brechungsindex in der Nähe von 1,33 bis 1,35 hat.

Wenn die numerische Apertur am Eingang der Faser kleiner ist als an der Berührungsstelle mit der umgebenden Lösung, dann kann die größere numerische Apertur an der Berührungsstelle nicht ausgenutzt werden und das System ist nicht so empfindlich, wie es kein könnte, wenn man die achtfache Abhängigkeit berücksichtigt. Sollte die numerische Apertur am Eingang größer sein als jene am Berührungspunkt mit der Faser, dann tritt die Eingangsstrahlung aus der Faser an der Zwischenfläche aus und es ergibt sich eine unerwünschte erhöhte Hintergrundfluoreszenz.

Es kann wichtig sein, die Halterungen für die Faser so anzuordnen, daß wenigstens das Ende der Faser, in das die Strahlung geschickt wird, genau positioniert werden kann. Dabei findet eine Berührung zwischen der Faser und der Halterung statt, und dadurch wird die numerische Apertur insofern vermindert, als der Brechungsindex des Haltematerials im allgemeinen höher als n ₁ ist. Um dieses Problem zu lösen, ist es üblich die Faser wenigstens in der Nähe des Endes, in das die Strahlung eingeschickt wird, mit einem Überzug zu versehen, der im typischen Falle aus einem hochmolekulargewichtigen Polymer besteht, um ein Medium mit niedrigem Brechungsindex zwischen der Halterung und der Faser anzuordnen. Ein solcher Überzug kann auch opak sein und eine geringe Reflexionsfähigkeit besitzen. Der Abschnitt der Faser, der mit der Analytlösung oder der zu untersuchenden Probe in Berührung kommen soll, verbleibt unüberzogen. Im Idealfalle kann sämtliche Strahlung, die durch die Faser geschickt wird, in zweckmäßiger Weise benutzt werden, wenn der Brechungsindex des Überzuges der gleiche ist wie der Brechungsindex der Probe. Unglücklicherweise liegt der Brechungsindex der meisten Überzugsmaterialien, die verfügbar sind, bei etwa 1,40 bis 1,43. Derartige Brechungsindizes begrenzen die maximale numerische Apertur auf ein Volumen, welches sehr viel niedriger ist als jenes, welches erlangt werden könnte, wenn ein Überzug mit niedrigerem Brechungsindex zur Verfügung stände.

Zusätzlich kann die numerische Apertur dadurch verbessert werden, daß die überzogene Faser einen Glaskern mit höherem Brechungsindex besitzt, aber Gläser mit sehr hohem Brechungsindex sind gegenwärtig kommerziell als Fasern aus Plastik mit einem abstreifbaren Überzug mit niedrigem Brechungsindex nicht verfügbar. Eine Verbesserung in der numerischen Apertur kann auch dadurch erreicht werden, daß gewährleistet wird, daß der Strahlungsfluß über den maximalen festen Akzeptanzwinkel des Systems so groß als möglich ist. Ferner kann eine Verbesserung dadurch erzielt werden, daß das überzogene Ende der Faser präzise gelagert wird, und dies wird besonders wichtig, wenn der gegenüber der Achse versetzte Winkel der ankommenden Strahlung sehr groß ist. Dieses Lagererfordernis ist sehr schwierig zu lösen im Hinblick auf den sehr kleinen Durchmesser (z. B. ca. ≦ωτ350 µm) bei Nachrichtenfasern, die gegenwärtig verfügbar sind.

Beispielsweise ist in der US-PS 40 50 895 die Benutzung mehrerer halbkugelförmiger Linsen mit ringförmiger Apertur beschrieben, um unter großem Winkel ankommende Strahlung in die Faser einzukoppeln. Um eine sehr hohe numerische Apertur auf diese Weise zu erlangen ist es jedoch notwendig, hochkorrigierte Linsen mit sehr flacher Tiefenschärfe zu benutzen. Derartige Linsen sind schwierig herzustellen und sehr kostspielig. Außerdem ist es schwierig, diese Linsen auszurichten und außerdem haben diese Linsen eine verminderte Durchlässigkeit infolge ihres Mehrelementaufbaus. Gegenwärtig müssen für eine Beleuchtung mit hoher numerischer Apertur Immersionssysteme benutzt werden, aber diese Systeme sind unhandlich und ebenfalls teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optisches System zu schaffen, welches die Notwendigkeit einer Immersionsoptik vermeidet, die optische Durchlässigkeit der Faser verbessert, die Verwendung von Beleuchtungslinsen mit größerer Tiefenschärfe zuläßt, wobei außerdem noch eine verbesserte numerische Apertur erreicht wird. So bezweckt die Erfindung die Schaffung einer neuartigen optischen Faser mit einer beträchtlich erhöhten numerischen Apertur. Weiter soll eine optische Faser mit totaler Innenreflexionsübertragung geschaffen werden, die die Benutzung eines Überzugsmaterials mit üblichem Brechungsindex zuläßt, wobei der Überzug benachbart zur Halterung der Faser angeordnet werden kann.

Weitere Ziele der Erfindung bestehen darin, ein verbessertes optisches System zu schaffen, welches zur Durchführung von Analysen an einer Festkörper- Flüssigkeits-Zwischenfläche unter Verwendung der ATR-Technik ermöglicht; es soll ein optisches System geschaffen werden, welches eine Faseroptik mit verbesserter numerischer Apertur benutzt und so eine erhöhte Empfindlichkeit hat; es wird ein System geschaffen, bei welchem die erreichbare numerische Apertur im wesentlichen so hoch gehalten werden kann, wie dies durch den Brechungsindex der Probe und der Faser möglich ist; es soll ein System geschaffen werden, bei welchem die Wirkung des Systemansprechens infolge Änderung des Brechungsindex der zu untersuchenden Probe vermindert wird; es soll ein System geschaffen werden, welches die Möglichkeit schafft, Fasern größeren Durchmessers zu benutzen als dies bisher praktisch möglich war, so daß es einfacher wird, die Faser zu lagern und auszurichten und somit ein robustes System geschaffen werden kann; es soll ein System geschaffen werden, bei dem die Eintrittsfläche beträchtlich vergrößert wird, wodurch eine größere Lichtsammelwirkung erreicht wird, wobei jedoch der Faserdurchmesser im Probebereich vermindert ist, um dadurch eine größere Empfindlichkeit zu erzielen; es soll ein System geschaffen werden, bei welchem die Toleranzerfordernisse sowohl in Querrichtung als auch in Achsrichtung der Faser vermindert werden; es soll ein Verfahren zur Verbesserung der numerischen Apertur in einem faseroptischen Untersuchungssystems geschaffen werden.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß sich eine Faser graduell von einer Eintrittspupille mit relativ großem Durchmesser nach einem wesentlich kleineren Durchmesser an einer Stelle verjüngt, die in Längsrichtung von der Eintrittspupille entfernt liegt. Eine solche verjüngte Faser hat eine Erhaltung des Durchsatzes zur Folge, weil der Einfallswinkel der Strahlung graduell ansteigt, wenn die Strahlung längs der Faser von der Eintrittspupille nach dem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser hindurchtritt. Die numerische Apertur der Strahlung in den Abschnitten mit kleineren Querschnitten wird höher im umgekehrten Verhältnis der Durchmesser. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß das Licht, welches in der Faser verläuft, winkelmäßig durch die Verjüngung des Mediums, in dem der Strahl gefangen ist, komprimiert wird; das Verhältnis der Durchmesser von großen und kleineren Abschnitten der verjüngten Faser ist exakt invers zu dem Verhältnis der numerischen Aperturen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den vorstehenden Ansprüchen.

Die Erfindung umfaßt demgemäß eine Vorrichtung, welche die Konstruktion und Kombination von Elementen und Anordnungen von Teilen umfaßt, sowie ein Verfahren mit verschiedenen Schritten, was sich ebenfalls aus der folgenden Beschreibung ergibt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einem idealisierten vergrößerten Längsschnitt eine Faser, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufweist;

Fig. 2 in einem vergrößerten Längsschnitt einer Untersuchungsvorrichtung, welche die idealisierte optische Faser gemäß der Erfindung enthält;

Fig. 3 eine Stirnansicht des Eingangsendes der Untersuchungsvorrichtung nach Fig. 2;

Fig. 4 einen idealisierten vergrößerten Längsschnitt einer abgewandelten Ausführungsform eines Faseraufbaus, der die Prinzipien der Erfindung verwirklicht;

Fig. 5 einen vergrößerten Längsschnitt einer abgewandelten Untersuchungsvorrichtung mit einer gemäß der Erfindung aufgebauten optischen Faser;

Fig. 6 ein schematisches System, welches die Faser gemäß der Erfindung als Übertragungselement in einem typischen optischen Festkörperübertragungssystem benutzt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches durch die Faser 20 verwirklicht wird. Letzteres stellt einen langgestreckten Körper dar, der sich von einem Ende nach dem anderen Ende bzw. von der Eintrittsstirnfläche 22 nach einem gegenüberliegenden Ende oder dem Austrittsende 24 erstreckt. Die Faser 20 hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt. An der Stirnseite 22 ist die Faseroberfläche im typischen Fall eben angeordnet und die Fläche steht normal zur Längsachse der Faser, und sie ist vorzugsweise fein poliert, um alle Oberflächenfehler auszumerzen, die die einfallende Strahlung streuen könnten.

Stattdessen könnte die Stirnseite 22 der Faser eine andere gewünschte optische Gestalt aufweisen, um z. B. als Vergrößerungsoberfläche oder als optische Anpaßoberfläche zu wirken. Die Faser 20 ist so eingerichtet, daß durch Vielfach-Total-Innenreflexion eine optische Erregerstrahlung, die in die Stirnfläche 22 mit einem konischen Akzeptanzwinkel B im wesentlichen symmetrisch zur Längsachse der Faser eintritt, über die Länge forschreitet. Dies geschieht, wie dem Fachmann bekannt, nach der Gleichung (1). Die Faser kann aus einem Material bestehen, das aus einer sehr großen Zahl von im wesentlichen homogenen Materialien ausgewählt ist, die optisch transparent für die Erregerstrahlung sind. Hierfür kommen Glasmaterialien in Betracht, beispielsweise Glas, kristalline Materialien wie Quarz, Saphir und dergleichen und synthetische Polymere wie Polyolefin, Polypropylen und dergleichen.

Wenn die Faser 20 bei Flüssigkeitsuntersuchungen benutzt wird, wie dies nachstehend beschrieben wird, dann muß der Brechungsindex n ₁ des die Faser 20 bildenden Materials größer sein als n ₂, d. h. größer als der Brechungsindex der zu untersuchenden Flüssigkeit. Der letztere Brechungsindex liegt im typischen Fall bei etwa 1,3 für eine wässrige Lösung.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Faser 20 so gestaltet, daß sie sich vorzugsweise graduell glatt in Längsrichtung vom Eintrittsstirnende 22 nach dem Ende 24 hin verjüngt. Dieser graduelle Übergang dient zur Vergrößerung der Eingangsstrahlkonvergenz in gradueller Weise, ohne den kritischen Winkel für die Faser zu überschreiten. Im Idealfall sollte die Verjüngung der Faser 5° nicht überschreiten. Im typischen Fall würde dann bei einer Faser von mehreren mm Länge der Durchmesser sich glatt verjüngen (d. h. nicht notwendigerweise linear, aber im wesentlichen ohne Diskontinuitäten oder abrupte Winkeländerungen im Verjüngungswinkel) von einem Durchmesser von 1 mm an der Stirnseite 22 auf wenige hundertstel µm am Ende 24. Wenn der Durchmesser der Faser am Ende 24 schließlich kleiner wird als ein gewisser Grenzwert, bei dem die maximale numerische Apertur erlangt wird, dann entweicht die Strahlung an diesem Punkt aus der Faser.

Im folgenden wird auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 Bezug genommen. Hier ist eine beispielsweise Vorrichtung 26 dargestellt, um eine Flüssigkeit zu untersuchen, und die Vorrichtung weist die Prinzipien vorliegender Erfindung auf. Die Vorrichtung 26 weist eine optische Faser 20, eine Umhüllung 28 und eine Halterung 30 auf, und sie entspricht in vieler Hinsicht dem System gemäß der US-PS 44 47 546.

Die Faser 20 gemäß Fig. 2 hat im wesentlichen die Eigenschaften, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschrieben worden sind, mit dem Unterschied, daß zum Zwecke einer Maximierung der Erregung durch die Eingangsstrahlung der verjüngte Abschnitt 32 zwischen dem Eingangsteil 34 und einem verlängerten Ausgangsteil 36 verläuft. Die beiden letztgenannten Abschnitte besitzen vorzugsweise im wesentlichen konstante Durchmesser. Der Durchmesser des Eingangsabschnitts 34 ist dem größeren Durchmesser des verjüngten Abschnitts 32 angepaßt, und der Durchmesser des Ausgangsabschnitts 36 ist dem kleineren Durchmesser des verjüngten Abschnitts 32 angepaßt. Weil die Oberfläche des Ausgangsabschnitts 36 als Aufnahme- oder Sensorzone für die Untersuchung benutzt wird, erfolgt die gesamte Aufnahme bei der höchsten numerischen Apertur des Systems, d. h. an dem Ende mit kleinerem Durchmesser der Faser. Bei einem Immun- Untersuchungsgerät ist die Faser 20 im typischen Fall etwa 25 mm lang. Es ist jedoch klar, daß diese Länge nur ein Beispiel ist und keine Beschränkung darstellt.

Die Halterung 30 ist einfach als kurze Hülse, als Überzug oder als Endring 38 dargestellt, der einen kurzen Abschnitt der Faser 20 benachbart zur Stirnfläche 22 umschließt und radial hiervon in Berührung mit einem Teil der inneren Oberfläche der Umhüllung 28 benachbar zu einem Ende von letzterer verläuft. Wie insbesondere in Fig. 3 dargestellt, ist der Endring 38 vorzugsweise mit einem oder mehreren Löchern 40 versehen, die im wesentlichen parallel zur Achse der Faser 20 verlaufen, so daß eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Volumen benachbar zu beiden Enden des Endringes geschaffen wird. Die primäre Funktion des Endringes 38 besteht darin, die Faser 20 derart festzulegen, daß die Eingangsstrahlung genau auf die Oberfläche 22 gerichtet werden kann, und es soll die Faser 20 im Abstand zu der inneren Oberfläche der Umhüllung 28 gehalten werden. Weil der Endring 38 notwendigerweise mit einem Abschnitt der Oberfläche der Faser 20 in Berührung stehen muß, kann eine störende Beeinflussung der numerischen Apertur der Faser bewirkt werden, so daß es sehr zweckmäßig ist, die Berührung zwischen dem Endring und der Faser soweit aus mechanischen Gründen möglich zu begrenzen, und es ist außerdem zweckmäßig, die Faser aus einem Material, z. B. Siloxan zu fertigen, die einen hohen Brechungsindex aufweist, vorzugsweise in der Nähe des Brechungsindex der zu prüfenden Flüssigkeit oder angepaßt auf diese.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel soll ein Arbeitsabschnitt, beispielsweise der langgestreckte Ausgangsteil 36 der Faseroberfläche als "aktivierter Bereich" definiert werden, an dem die Untersuchung durchgeführt wird. Der Abschnitt 36 kann durch einen zusätzlichen Überzug begrenzt werden, der an entgegengesetzten Enden der Faseroberfläche so zugesetzt wird, daß nur der gewünschte Abschnitt der Faser unbedeckt bleibt. Die Dimensionen des aktivierten Bereichs können natürlich auch durch andere Techniken gesteuert werden, und tatsächlich könnte im wesentlichen die Gesamtlänge der Faser hinter dem Endring den aktivierten Bereich bilden. Wie jedoch erwähnt, ist es erwünscht den aktiven Bereich als Zylinder konstanten Durchmessers zu gestalten, und zwar der höchst verfügbaren numerischen Apertur, um dem System die höchste Empfindlichkeit zu verleihen. Um die Oberfläche des Abschnitts 36 zu aktivieren, wird letztere im typischen Fall mit einem Reagenz überzogen, wie dies in der US-PS 44 47 546 beschrieben ist.

Die Umhüllung 28 ist ein Rohr, welches vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise optisch transparent ist, jedoch aus einem Material besteht, welches in der zu untersuchenden Flüssigkeit relativ unlöslich ist und mit dieser Flüsigkeit chemisch nicht reagiert. Im typischen Fall ist die Umhüllung 28 einfach ein Glasrohr mit einem Innendurchmesser, der größer ist als der maximale Ausßendurchmesser der Faser 20, wobei das Rohr vorzugsweise so dimensioniert ist, daß ein vorbestimmtes Volumen begrenzt wird, das wenigstens die aktivierte Oberfläche des Faserabschnitts 36 umschließt.

Die Herstellung der verjüngten Faser kann sehr einfach dadurch verwirklicht werden, daß z. B. von einem kommerziell verfügbaren Galsfaserkern konstanten Durchmessers (z. B. mit 500 µm) ausgegangen wird, daß die Faser örtlich mit einem Brenner oder einer elektrischen Heizeinrichtung erhitzt wird bis ein örtlicher Abschnitt der Faser plastisch wird, und indem dann die Faser mit einer Rate und mit einer Temperaturverteilung derart abgezogen wird, daß sie die Faser auf einen verminderten Durchmesser von beispielsweise 300 µm verjüngt. Der minimal annehmbare Verjüngungswinkel wird durch praktische Erwägungen wie z. B. die zulässige Länge der Faser bestimmt, aber der maximale Verjüngungswinkel sollte jenen nicht überschreiben, der notwendig ist, um die kritische Winkelbeziehung aufrechtzuerhalten, die notwendig ist, um die Übertragung durch innere Totalreflexion vornehmen zu können, und dies hängt vom Brechungsindex des Fasermaterials ab. Für einen Faserkern aus geschmolzenem Quarz beispielsweise sollte der Verjüngungswinkel vorzugsweise unter etwa 5° gehalten werden. Die verjüngte Faser kann dann an jeder gewünschten Stelle abgetrennt werden. Die Festlegung von Zeit, Temperatur, Abzugsrate und Temperaturverteilung hängt dann natürlich im großen Maß von den physikalischen Eigenschaften des speziellen, für die Faser gewählten Materials ab.

Es können andere bekannte Verfahren zum Abziehen oder Erzeugen einer verjüngten Faser benutzt werden. Die vorliegende Erfindung bietet sich überraschenderweise an zur Erzeugung einer Doppelleitfaser, d. h. einer Faser die in der Lage ist, Licht vom Eingangsende nach dem entfernt liegenden distalen Ende zu übertragen und dann das Licht durch die Faser nach dem Eintrittsende zurück zu reflektieren. Eine solche distale Reflexionsoberfläche, die am Ende 42 gemäß Fig. 2 vorgesehen ist, kann leicht einfach dadurch erzeugt werden, daß die Faser an jener Stelle erhitzt wird und die Faser mit einer Rate abgezogen wird, die groß genug ist um die Faser zu zerreißen, und es wird ein Ende mit einem großen Winkel erzeugt, der als Spiegel dient und in der Lage ist, Licht in der Gegenrichtung zu reflektieren. Das Ende 42 kann in der Wirkung gleich sein einem prismatischem Reflektor. Es kann jedoch noch einfacher ohne Probleme erzeugt werden, die der Herstellung üblicher Spiegel anhaften, beispielsweise das Schleifen, Polieren und dergleichen. Natürlich kann das Ende 42 einfach so gesteltet werden, daß das Licht austritt, wenn die Fluoreszenz am Eingang 22 ohne Interferenz der Erregerstrahlung beobachtet wird.

Wenn die Ausführungsform nach Fig. 2 in Betrieb genommen wird, ist die Faser 20 mit einem Überzug 43 aus irgendeinem Aktivierungsmittel überzogen (z. B. mit einem Bestandteil eines Antikörper-Antigen- Komplexes, der eine fluoriszierende Markierung aufweist), und die Faser wird dem gleichen Verfahren unterworfen, wie in der US-PS 44 47 546 dargestellt. Der Zwichenraum 44 zwischen der Umhüllung 28 und der Faser 20 wird mit einer flüssigen Probe des zu untersuchenden Materials angefüllt und falls erforderlich, beläßt man die Probe bis zum Ablauf der Inkubationszeit. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird die Vorrichtung in Verbindung mit einem Fluorimeter 45 benutzt, der eine Erregerstrahlungsquelle aufweist, vorzugsweise einen Festkörper-Strahlungssender oder einen Laser, so daß die Wellenlänge der Strahlung präzise festgestellt werden kann. Die Eintrittsfläche 20 wird mit der Erregerstrahlung beleuchtet und letztere ist im typischen Fall in der Lage, Fluoreszenz in dem Volumen zu erregen oder zu induzieren, welches benachbart zur Oberfläche des Abschnitts 26 liegt, und zwar erfolgt die Erregung durch eine abklingende Welle, die die Aussendung der Strahlung längs der Faser begleitet. Die Erregerstrahlung wird winkelmäßig vom Eingangssender der Faser nach dem überzogenen Abschnitt durch die Verjüngung der Faser zusammengepreßt, wodurch die numerische Apertur beträchtlich vergrößert wird. Weil die numerische Apertur des Abschnitts 36 so viel größer ist als die der Fläche 22, wird das durch die abklingende Welle zu erregende Reagenz einer beträchtlich größeren Erregerintensität ausgesetzt als dies der Fall wäre bei einer nicht verjüngten Faser mit gleichem Durchmesser an der Eintrittsfläche. Die induzierte Fluoreszenz wird dann durch Tunnelwirkung in der Faser von dem erregten Material zurückgeschickt und durch ein Photometer 45 abgelesen.

Stattdessen kann man den Detektor des Photometers am distalen Ende der Faser anordnen, um die austretende Fluoreszenz zu messen. In diesem Fall muß jedoch Vorsorge dafür getroffen werden, daß zwischen der Erregerstrahlung und der fluoreszierenden Strahlung unterschieden wird, indem eine Ausfilterung erfolgt.

Im Hinblick auf eine maximale Empfindlichkeit eines Untersuchungssystems gemäß der Erfindung ist es höchst erwünscht, so nahe als möglich an die maximale numerische Apertur heranzukommen. Wie erwähnt, bewirkt eine zu geringe Apertur einen Signalverlust mit 8-fachem Wert, und eine zu große bewirkt eine Abstrahlung und es geht ein Teil des Signals verloren und die Hintergrund- Fluoreszenz wird erhöht. Um Fasern zu reproduzieren, die die maximale numerische Apertur ergeben, muß eine genaue Reproduktion von Faser zu Faser mit dem gleichen Durchmessverhältnis zwischen Eingangsfläche und Empfindlichkeitsbereich der Faser gewährleistet sein, was unrealistische Herstellungstoleranzen bedingen würde.

Dies Problem kann dadurch beseitigt werden, daß die Faser am Eintrittsende etwas größer als erforderlich hergestellt wird, d. h. mit einem Durchmesserverhältnis d _i /d _f , das etwas zu groß ist, wobei d _i der Durchmesser am Eingangsende und d _f der Durchmesser am Empfindlichkeitspunkt der Faser ist. Bei einem solchen Aufbau beginnt die Strahlung aus der Faser herauszutreten, wenn sie den Untersuchungs-Bedeckungsabschnitt der Faser erreicht, wobei der niedrigere Brechungsindex von Luft in der Umgebung bis zu jenem Punkt einen Energieverlust durch die Faseroberfläche verhindert. Dies stellt eine Begrenzung hinsichtlich des maximal ausnutzbaren Durchmesserverhältnisses dar. Letzteres sollte größer sein als durch die Faser/Proben-Zwischenfläche bedingt, jedoch kleiner als jenes, bei der einen totale innere Reflexion an der Faser-Luft-Zwischenfläche gewährleistet ist. Diese Gleichung kann ausgedrückt werden als:

dabei ist n ₀ der Brechungsindex der Faser, n ₁ der Brechungsindex der Probe und NA _i ist die numerische Apertur der Eintrittsoberfläche der Faser. Unter diesen Bedingungen bleibt das zusätzliche Licht, welches durch die größere Eingangsfläche gesammelt wird, in der Faser bis es jenen Punkt oder jene Zone erreicht, wo das Umgebungsmedium den gleichen Brechungsindex wie die Probe hat. Weil das größere d _i einen größeren Energieeingang bewirkt, läßt der Energieverlust die Gesamtenergie-Übertragung gleich werden, weil bei einem System mit kleinerem d _i ohne Abstrahlung, aber die abgestrahlte Energie darf keine Hintergrundstörung bewirken. Aus diesem Grund ist, wie in Fig. 4 dargestellt (bei der gleichen Bezugszeichen gleiche Teile, wie bei dem Ausführungsbeispiel Fig. 2 kennzeichnen), die Faser in der Nähe der Verbindung zwischen den Abschnitten 32 und 36, wo die Strahlung aus der Faser austritt und Hintergrundprobleme verursacht, mit einem Strahlungsabsorptionskragen 42 in Berührung mit der Faser versehen, der den Umfang umschließt und aus einem Material gefertigt ist, dessen Brechungsindex am Brechungsindex der Probenlösung so nahe als möglich angepaßt ist. So kann beispielsweise bei wässrigen Proben der Kragen 42 ein Gel sein, welches mit einer Absorptionsfarbe oder kohlenstoffschwarz angefüllt ist, oder es kann einfach ein Ring aus strahlungsabsorbierendem Plastikmaterial sein, beispielsweise aus schwarzem Polytetrafluoräthylen.

Die Vergrößerung der Durchmesserverhältnisse senkt nicht nur die Anforderung an die Herstellungstoleranzen, sondern dient auch dazu, die Einstellungstoleranz- Erfordernisse sowohl in Achsrichtung als auch quer dazu für die Faser in einem Untersuchungssystem zu verringern. Die Vergrößerung der Fläche am Eingangsende vermindert natürlich die Quereinstellungs-Toleranz-Erfordernisse, weil in einem solchen Fall ein fokussierter Strahl einen größeren Abstand besitzt, um quer auszuwandern bevor die Eintrittsfläche verlassen wird. Weil die Fläche ansteigt, wird auch der Akzeptanzwinkel B verringert, der erforderlich ist um die gleiche numerische Apertur zu erhalten. Die zulässige Fokussierungstiefe in der Eingangsoptik wird vergrößert und die axialen Toleranzen, die an der Eingangsfläche der Faser erforderlich sind, um innerhalb der Schärfentiefe zu bleiben, wird vermindert.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung eines mit optischer Faser arbeitenden Untersuchungsgerätes mit einer hohen numerischen Apertur, die erreicht werden kann, unter Berücksichtigung der Begrenzung im Hinblick auf den Brechungsindex der Probe und dem Index des Faserkerns. Da man von einen Glas-"Stab" ausgehen kann und nicht notwendigerweise von einer feinen Faser, wie in der US-PS 44 47 546 beschrieben, ist man nicht mehr beschränkt, im Hinblick auf die Benutzung von Glas, das beispielsweise bei Nachrichtenübertragungssträngen benutzt wird, und deshalb kann man Gläser mit sehr hohem Brechungsindex benutzen, wodurch weiter die maximale numerische Apertur verbessert wird, die am Faserabschnitt in Berührung mit der Probe erlangt werden kann. Tatsächlich kann die maximale numerische Apertur an der Probe nunmehr größer werden als die Einheit. Um dies ohne Verjüngung der Faser zu erreichen, müßte die Beleuchtungsvorrichtung ein Immersionssystem aufweisen. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies: Da die numerische Apertur der verjüngten Faser am Eingang kleiner als die numerische Apertur gemacht werden kann, die innerhalb der verjüngten Faser an der Berührungsstelle mit der Probe besteht, kann das Eintauchen wegfallen durch Benutzung einer Faser, die einen Eingangsdurchmesser besitzt, der groß genug ist um zu gewährleisten, daß die numerische Apertur des Eingangs unter dem Einheitswert bleibt.

Die Benutzung der verjüngten Faser gemäß der Erfindung ermöglicht die Benutzung von Eintrittslinsen kleinerer numerischer Apertur. Solche Linsen kleinerer numerischer Apertur sind billiger, einfacher herzustellen, besser zu korrigieren und haben eine bessere Durchlässigkeit und eine bessere Tiefenschärfe, so daß eine Fokussierung weniger kritisch ist.

Weil die verjüngte Faser selbst (wenigstens am Ende, wo sie gehaltert oder gelagert wird) im Durchmesser größer sein kann als bei bekannten Untersuchungsvorrichtungen, kann die verjüngte Faser benutzt werden, um ein System zu konstruieren, welches unempfindlich ist und geringere Toleranzanforderungen im Hinblick auf eine Positionierung stellt. Weil das Eintrittsende bzw. das weite Ende der verjüngten Faser keine numerische Apertur haben muß, die so groß ist wie beim Stande der Technik erforderlich, kann der Überzug jedem vernünftigen Brechungsindex angepaßt werden und das Problem der Halterung und der Lagerung der Fasern wird beträchtlich verringert.

Bei Untersuchungsgeräten, die optische Fasern benutzen, sollten kleine unkontrollierbare Veränderungen des Brechungsindex der Probe nur eine vernachlässigbare Wirkung auf die Ablesung haben. Geringe Veränderungen des Brechungsindex in der Oberflächenschicht sind auch schwer zu kontrollieren, weil sie von der Art und Weise abhängen, auf die das Reagenz, beispielsweise eine Antikörperschicht, auf die Oberfläche der Faser aufgebracht wurde. Weil die erfindungsgemäß verjüngt ausgebildeten Fasern so die wirksame numerische Apertur verbessern und man Fasern mit hohem Brechungsindex in solchen Vorrichtungen benutzen kann, wird die Wichtigkeit der Steuerung des Oberflächenfilms und der Hintergrund der Brechungsindizes stark vermindert, und es sind bessere Lösungen möglich. Beispielsweise können bei einem Untersuchungsgerät, welches eine verjüngte Faser mit einem Brechungsindex von 1,76 benutzt, Messungen durchgeführt werden, die Proben von Wasser mit Serum aufweisen, und diese zeigten eine Ansprechänderung von etwa 10% im Vergleich mit einem Faktor von etwa 2 bei einem System, welches die herkömmlichen zylindrischen nicht verjüngten Fasern benutzt.

Die Vorteile der Benutzung einer verjüngten Faser bei einer Fluoreszenz-Untersuchungsvorrichtung sind ganz beträchtlich. Die Grenze der numerischen Apertur für flüssige Proben beträgt bei Normalfasern rund 0,3, wenn man einen ausgedehnten Überzug benutzt, oder 0,4 wenn nur kurze Segmente von Überzug benutzt werden, und gewisse Verluste im Überzug zugelassen werden. Bei einer verjüngten Faser gemäß der Erfindung sind numerische Aperturen von über 1,0 leicht erlangbar. Um eine Optimierung für eine spezielle, zu untersuchende Probe zu bewirken, sollte das Verjüngsungsverhältnis so gewählt werden, daß das Verhältnis der numerischen Aperturen die gewünschte endgültige numerische Apertur der Probe liefert. Die maximal erlangbare numerische Apertur ist die Quadratwurzel aus dem quadrierten Faserindex minus dem quadrierten Probenindex. So beträgt beispielsweise die maximale numerische Apertur 1,12 für eine Faser mit hohen Brechungsindex von 1,76 und einem Brechungsindex von 1,351 der Probe. Diese hohe numerische Apertur ergibt einen Faktor, der eine um wenigstens 500 mal größere Empfindlichkeit liefert als bei herkömmlichen zylindrischen Fasern.

Die Verbesserung des Signals der Untersuchungsvorrichtung mit einer numerischen Apertur wie erwähnt, ist optimal im Hinblick auf vier Faktoren: einen quadratischen Faktor in der Lichtsammelleitung des Systems; ein quadratischer Faktor in der Wirksamkeit der Erregung der abklingenden Welle; ein quadratischer Faktor in der Wirksamkeit der Sammlung des Fluoreszenz erzeugt durch die abklingende Welle, und ein quadratischer Faktor im festen Sammelwinkel für die Fluoreszenz. Jedoch besteht eine Verminderung der Festigkeit der Kopplung mit einem Ansteigen des Faserindexes, so daß bei hohen numerischen Aperturen eine achtfache Verbesserung nicht zu erwarten ist. So findet man bei einer Untersuchungsvorrichtung mit verjüngten Fasern und einer hohen numerischen Apertur eine Verbesserung gegenüber dem Stande der Technik mit einem maximalen Faktor von etwa 500 anstatt 10 000- facher theoretischer Verbesserung. Diese Verbesserung tritt auf, weil die Dicke der abklingenden Zone bei hoher numerischer Apertur kleiner wird, und deshalb ein geringeres Volumen geprüft wird. Es besteht eine Dickenwirkung für die Massenproben, und wo die Dickenwirkung bei einer kleinen Faser fehlt, besteht eine kleine weitere Wirkung infolge der Fasermißanpassung und einer Veränderung der Strahlung über der Zwischenfläche.

Bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Faser wurden die Abschnitte 32 und 36 als homogen wenigstens im Prinzip angesehen, aber dies ist nicht notwendig und in gewissen Fällen auch gar nicht erwünscht. Wie insbesondere in Fig. 5 dargestellt, kann die Faser 20 aus zwei stirnseitig aneinanderstoßenden Abschnitten 46 und 48 gebildet sein, die den Abschnitten 32 und 36 entsprechen, jedoch ist der verjüngte Abschnitt 46 aus einem klaren synthetischen Polymer, beispielsweise Polymethylmethacrylat hergestellt, während der Abschnitt 48 aus einem optischen Glas besteht. Dabei wurde die Verbindung zwischen den Abschnitten sorgfältig hergestellt, um eine maximale Übertragung der längs der Faser fortschreitenden Strahlung zu gewährleisten.

Wie in Fig. 6 dargestellt, findet die erfindungsgemäße Faser im wesentlichen als Übertragungselement Anwendung, um den Durchmesser von Eingangs- Ausgangsoptiken in Übertragungssystemen anzupassen. In Fig. 6 ist die Faser 20 mit einer Eingangsfläche 22 an einer optischen Festkörperquelle 50, beispielsweise einem Laser oder einer Leuchtdiode angeschlossen, die normalerweise in ihrer Größe nicht vermindert werden können, und das distale Ende 24 der Faser 20 ist an den Eingang einer optischen Faser 52 mit Transmissionsqualität gekoppelt. Der Ausgang letzterer wiederum ist mit einem photoelektrischen Sensor 54 verbunden. Stattdessen kann, falls eine weitere Übertragung erforderlich ist, der Ausgang der Faser 52 an das kleinere Ende einer weiteren gleichen Faser 20 angeschlossen werden, dessen größeres Ende dann mit einem Sensor 54 gekoppelt wird.

Es können zahlreiche Abwandlungen getroffen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zeichnung stellt nur wenige denkbare Beispiele dar.

Claims (13)

1. Optische Vorrichtung, die in Kombination eine Strahlungsquelle und eine optische Faser aufweist, die für die Strahlung durchlässig ist und eine Eingangsfläche besitzt, in der die Strahlung eingeleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser sich glatt derart verjüngt, daß der Durchmesser zwischen dem Eingangsende und einer Stelle verjüngt wird, die in Längsrichtung der Faser entfernt liegt.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser vom Eintrittsende konisch verjüngt ist mit einem Verjüngungswinkel von nicht mehr als 5°.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Festkörper-Strahlungssender ist.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Laser ist.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor optisch mit der Eintrittsfläche gekoppelt ist, um Strahlung festzustellen, die durch die Faser zurückläuft.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die numerische Apertur am gegenüberliegenden Ende der Faser größer als 1,0 für die von Luft umgebene Faser ist.

7. Optische Vorichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen strahlungsabsorbierenden Kragen aufweist, der in Berührung mit der Faser um diese zwischen dem Eintrittsende und der Prüfstelle gelegt ist.

8. Optische Vorrichtung zur Durchführung von Immununtersuchungen mit einem Reagenzmittel, welches eine fluoreszierende Markierung enthält die in der Lage ist, eine fluoreszierende Strahlung zu emittieren, wenn eine Erregung durch eine Erregerstrahlung erfolgt, wobei die Vorrichtung eine optische Faser aufweist, die sowohl für die Erregerstrahlung als auch für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist und eine Eintrittsfläche aufweist, in die die Erregerstrahlung eingeleitet wird, um über die Faserlänge fortzuschreiten und innerhalb einer Zone, die wenigstens teilweise von der Oberfläche der Faser gebunden ist, eine abklingende Welle zu erzeugen, die in der Lage ist, Fluoreszenzstrahlung von Markierungen zu erregen, die in der Zone angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser glatt verjüngt derart ausgebildet ist, daß sich ihr Durchmesser zwischen dem Eintrittsende und einer Stelle im Abstand längs der Faser ändert.

9. Optische Vorichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reagenzmittel ein Antigen-Antikörper-Komplex ist.

10. Optische Vorichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um ein Volumen zu begrenzen, und daß dieses Mittel die erste Zone einschließlich, und daß das Volumen wenigstens teilweise durch jenen Abschnitt der Faseroberfläche abgegrenzt ist.

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen kapillare Dimensionen besitzt.

12. Optische Vorichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung eine langgestreckte Umhüllung aufweisen, die im Abstand von wenigstens einem Abschnitt der Faseroberfläche diese umschließend angeordnet ist.

13. Optische Vorichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser glatt derart verjüngt ausgebildet ist, daß sich ihr Durchmesser von dem Eintrittsende nach dem gegenüberliegenden Ende der Faser verringert.