用于获得流体介质的测量信号的光学测量单元和光学测量方法与流程

本发明涉及一种用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元，该液体介质存在于彼此相邻排列的比色皿中，该光学测量单元包括用于将入口辐射发射到比色皿中的光供应单元，并包括用于检测从比色皿出射的测量辐射并用于将该测量辐射转换成电测量信号的检测单元。本发明还涉及一种用于从液体介质获得测量信号的光学测量方法。

在用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元中，使用不同类型的测量：

光度法

光度测量所基于的物理效应是液体中存在的特定物质对特定波长的光的吸收。结果产生的经过比色皿的光强度降低使用测量技术来检测，并允许通过考虑以下等式来定量确定物质浓度：

t＝i/i0(式1)

e＝–logt＝log(i0/i)(式2)

e＝ε.c.d(式3)朗伯-比尔(lambert-beer)定律

其中t…透射率

e…消光率

i0…在不存在吸光物质情况下的强度

i…在存在吸光物质情况下的强度

c[mol/l]…摩尔浓度

d[cm]…吸收液体层的厚度

ε[lmol^-1cm^-1]…摩尔消光系数(物质相关变量)

由此可以从消光或透射测量的结果直接计算摩尔浓度c。这种类型的测量被用于化学和酶促反应，以确定样品中存在的特定分析物(血浆、尿液等)的摩尔浓度。在该情形中，吸光物质(染料)出现或消失，并且待确定的分析物的摩尔浓度随后从其消光或消光变化中推导出。

在临床化学分析领域中，使用光度法确定众多参数，例如确定酶(ap、got、gpt、γ-gt、淀粉酶、ck)，电解质(na⁺、k⁺、ca²⁺、cl^-、mg²⁺)，因器官而异的物质(心脏、肝脏、肾脏)以及众多代谢变量(胆红素、总胆固醇、hdl和ldl胆固醇、甘油三酯、葡萄糖、尿酸、肌酐、尿素和乳酸)。

浊度法和比浊法

这种类型的测量被用于均质免疫测定中，其中特定的分析物(诸如举例而言代谢物、酶、肽或蛋白质)与抗体反应。这导致较大的结构，其造成反应混合物的光散射或浊度增加。

虽然在透射测量的情形中，由于浊度的增加，穿过的光束强度随着分析物浓度的增加而减小，但是在例如90°的检测角度下，散射光束的强度随着浊度的增加而增加。

具有透射测量形式的浊度测量被称为浊度法。相关联的测量设备被称为浊度计。以与通过的光束成例如90°的角度进行的散射光测量被称为比浊法，并且相关联的测量设备被称为比浊计。

为了更好地理解本发明，将更详细地定义本申请中所使用的一些必要技术术语：

液体介质：

该术语是指液体样品、液体试剂、或其混合物和/或反应混合物。

样品：

分析样品(通常简称为样品或物质样品)是指待分析的全部材料。

分析物：

分析物是被包含在样品中的那些物质，并且要在化学分析期间获得关于这些物质的信息(例如关于其摩尔浓度的信息)，也就是说，待分析的物质。

试剂：

术语试剂标示在与样品中存在的某些其他物质接触之际呈现出特定反应的物质。将试剂添加到样品引起化学反应，从而带来特征颜色变化，这使得能够得出关于样品中是否存在特定分析物及其摩尔浓度的结论。

比色皿：

在本发明的意义上，比色皿是指温度可控的器皿，该器皿在所有侧面是封闭的并且在顶部是打开的，以用于保持样品液体和试剂液体以及所得到的反应混合物，并用于藉由光度法和/或发光光学法来测量反应混合物。在本发明的意义上，比色皿具有至少一个窗口，该至少一个窗口被布置在该比色皿的侧壁中，并且对于所使用的光学测量方法而言是透明的，或者整体上是光学透明的。驻定比色皿阵列：

这是指彼此相邻排列的多个比色皿，这些比色皿以驻定方式布置并且在正常测量操作期间不会移动。

用于准直的光学元件：

这些是用于产生尽可能平行的光束的光学元件。原则上，来自或多或少点状光源的光被变换成平行射线束。以基本上平行方式对准来自led的光的光学元件是例如会聚透镜、tir透镜、抛物面镜和光阑装置。

用于滤光的光学元件：

这些是用于以波长相关和/或频率相关方式(即对于可见光以颜色相关的方式)来过滤透射光的光学组件，特别是干涉滤光器。这些组件通常被建立为薄载体上的介电层。由于波长相关透射率取决于光的入射角，因此如果照射在滤光器元件上的光束尽可能平行地行进并且平行于光轴取向，则是有利的。

利用陷波滤光器、长通滤光器、短通滤光器、带通滤光器和二向色干涉滤光器。特别优选带通滤光器，因为它们对于特定的波长带具有高透射率，同时吸收较短或较长的波长。

聚光器或聚光透镜：

这是一到两个透镜的装置，其将来自led的光的最大可能部分引入比色皿中，或者是将来自比色皿的光的最大可能部分指引到光电二极管上的装置。

现有技术：

us8,675,187b2(hitachi)描述了一种用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元，以及装备有该光学测量单元的分析系统。如本申请的图1a中所示，以圆形方式被布置在转台23上的多个反应器皿24之一被浸入温度浴25中，该温度浴25填充有恒定温度的水26。被固定地布置在温度浴25中的光度计27具有led光源28，来自该光源的光藉由聚光透镜29和偏转镜30被照射到存在于反应器皿24中的样品31中。半导体激光器也可以用作光源。光度计27的光电检测器32被布置在反应器皿24的相对侧上。在光度计27的测量位置33处在反应器皿24的入口侧和出口侧设置有用于入口辐射和出口辐射的光阑34。一个缺点是与以圆形方式被布置在转台上的反应器皿相关联的机械和计量学复杂性，这是由于为了测量样品必须将各个反应器皿24移动到光度计27的测量位置中。

us2013/0301051a1(pogosyan)描述了一种成本有效的便携式光度计，如本申请的图1b中所示，该光度计具有不同波长的多个led作为光源35，并具有光电二极管或光电倍增器作为检测器36。光度计可以被用于分析位于光源35与检测器36之间的样品保持器37中的化学、生物或药物样品。来自光源35的光被指引到光散射表面39上(可任选地在穿过干涉滤光器38之后)，并穿过准直透镜40和狭缝光阑41，以到达存在于样品保持器37中的样品。如图所示，检测器36可以从第一位置枢转到第二位置。在所解说的几何形状中，如果散射表面被选择为非常小、几乎呈点状，则准直透镜将发挥最佳作用，但这会降低光输出。

us8,064,062b2(beckmann)公开了(如本申请的图1c中所示)一种光度计，该光度计具有包括光源l1至l5的驻定led阵列以及包括光电二极管r1至r5的驻定检测器阵列，其中为每个光源指派一个光电二极管。位于转台上的比色皿c被布置在led阵列与检测器阵列之间。在比色皿c在箭头方向上进行旋转移动期间，光束路径相交，并且不同波长λ1至λ5的光可以被相继施加到比色皿c中的样品。

at510631b1(scanmesstechnik)要求保护一种具有多个led作为光源44的光谱仪，如本申请的图1d中所示。该光谱仪被用于藉由光源44和检测器45来分析流体42的内容物，其中来自光源44的具有预定义光谱范围的光穿过入口窗口47、穿过待检查流体42，并穿过出口窗口48到达检测器45。光源44由多个led49形成，这些led49被布置在底座50中并被连接到控制电子器件43，所述led被设计成发射在预定义光谱范围内的不同波长范围的光。控制电子器件43被设计成顺序地致动发光二极管49，其中连接到控制电子器件43的补偿检测器51被布置成与底座50中的发光二极管49相对。透镜46、光阑52和会聚透镜53被布置在光源44与入口窗口47之间的光束路径中。为了测量待分析流体的散射光，可以横向于测量辐射布置另一检测器54。

wo2010/122203a1(biosystems)公开了一种光度计，该光度计基于多个led作为光源的布置，用于测量比色皿中存在的样品的吸收和浊度。在该情形中，来自各个led的光藉由分束器连同带通滤光器被耦合到样品上游的光束路径中。另外，参考光电二极管被布置在光源侧。在检测侧，光电二极管被布置在样品下游的光束路径中。各个比色皿被移动经过光度计。不利的是，光源具有非常复杂的构造，并且由许多单独组件构成。另外，来自位于进一步远离比色皿的led的光必须穿过多个分束器，这导致强度损失。

us4,234,539(coulterelectronics)描述了一种自动分析器，该自动分析器具有用于样品器皿、试剂器皿和反应器皿(比色皿)的转台，其中在它们之间安装有移液臂以用于转移介质。相对于比色皿转台同心地布置有转子，在该转子上布置有相对于彼此固定地放置的成对的光源和光电检测器。在适当的放置和/或旋转之际，各个比色皿变得位于光源与光电检测器之间。在替换实施例中，单个光源被放置在旋转轴的中心，并且光电检测器位于(如在径向方向上可见)比色皿的相对侧。比色皿转台随后仅缓慢旋转，而具有光源的转子执行快得多的旋转移动，这导致测量频率显著增加。此外，转子可以具有带有不同滤光器的滤光轮，该滤光轮可以被引入中心光源与比色皿之间的光束路径中。然而，转子必须在每个比色皿处停留，之后通过旋转滤光轮来选择相应滤光器。转台系统和附连到转台的比色皿的上述缺点在此仍然存在。

ep2309251a1(siemenshealthcare)公开了一种自动分析器，该自动分析器具有存在于圆形或线性装置中的驻定样品器皿或比色皿，其中光学测量单元被形成在可旋转设备上，以便可沿样品器皿移动。根据一个实施例变型，承载led形式的光源和光电二极管形式的光电检测器的可旋转设备可被布置在用于样品器皿的接纳部的下方，其结果是在所有时间可以藉由夹臂来进出样品器皿。可旋转设备还可以具有不同波长的多个led和多个光电二极管，以使得可以在多个波长下测量样品。光电二极管可以由ccd元件代替。

本发明的目的是要改进用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元和光学测量方法，该液体介质存在于彼此相邻排列的比色皿中，以使得可以在各个比色皿中的化学反应过程期间并在时间上快速地相继执行不同波长下的多次测量，其目的是要尽可能降低由测量系统的各个组件之间的平移和/或旋转相对移动引起的运动学复杂性。

一种根据本发明的用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元，该液体介质存在于彼此相邻排列的比色皿中，每个比色皿具有侧向入口窗口和至少一个侧向出口窗口，该光学测量单元包括以下组件：

适合于将光谱上不同的入口辐射在时间上相继发射到每个比色皿的入口窗口中的光供应单元，该光供应单元具有多个led光源，这些led光源在uv/vis/nir波长范围中以光谱上不同的方式进行发射，以及

适合于检测从每个比色皿的至少一个出口窗口出射的测量辐射并将该测量辐射转换成电测量信号的检测单元，

其中彼此相邻排列的比色皿形成驻定比色皿阵列，并且该光学测量单元的检测单元具有多个光电二极管，其中至少一个光电二极管被固定地指派给比色皿阵列的每个比色皿的每个出口窗口。

特别有利的是，比色皿被布置为不可移动的驻定比色皿阵列，其中各个检测器(透射光检测器(用于光度和浊度测量)和/或散射光检测器(用于比浊测量)被固定地指派给每个比色皿，并且从各个比色皿出射的光(即，还包括任何暗信号和可能的入射环境光)可以按时间上不受限的方式从每个比色皿测量以用于校正目的。由此在停走(stop-and-go)操作中不必在移动经过检测器时进行测量、或者将检测器顺序地放置在多个比色皿的前面。结果，可以在非常短的时间间隔中获得更准确的测量结果，并且使测量过程灵活得多。

根据本发明的第一实施例变型，光供应单元具有至少一个驻定光分布器设备，该驻定光分布器设备将来自各个led光源的光分布在比色皿阵列的各个比色皿之中，其中光分布器设备具有腔，其内表面被设计成是至少部分地镜面反射的和/或漫反射的，并且其中光分布器设备针对每个led光源具有用于将光馈送到腔中的入口开口，并且其中光分布器设备针对比色皿阵列的每个比色皿具有用于将光馈送到比色皿中的出口开口。

这是紧凑的、成本有效的变型，因为容适不同波长的多个led光源的光分布器设备以驻定方式被指派给一行比色皿。在具有大量比色皿的比色皿阵列的情形中，驻定比色皿阵列可以被分段，其中单独的光分布器设备被固定地指派给每个分段。因此，总体而言，这导致没有移动组件的光学测量单元。

为了更好地分布由不同波长的各个led光源照射到光分布器设备中的光，光分布器设备的与led光源的入口开口相对定位的内表面优选地被设计成是波纹状的和反射性的。尽管在各个led光源与比色皿之间可能出现不同的光路，但由于存在恒定的几何条件而可以通过计算、通过硬件设置参数化和/或通过校准测量来补偿强度差。

为了使进入比色皿的测量辐射均匀化，光分布器设备的与比色皿的出口开口相对定位的内表面被设计成是漫反射的。

根据本发明的第二实施例变型，光供应单元具有包括多个led光源的至少一个一维棒状光源阵列，该光源阵列沿驻定比色皿阵列取向并且可沿该驻定比色皿阵列移动，以使得光源阵列的每个led光源可以被指派给驻定比色皿阵列的每个比色皿。

该变型受益于以下事实：在检测器侧，被固定指派给驻定比色皿阵列的各个比色皿的光电二极管被呈现为驻定线性光电二极管阵列，并且优选地被布置在共用电路板上。可沿驻定比色皿阵列移动的棒状光源阵列的轻微缺点通过成本有效的制造(针对多个比色皿仅一个光源阵列)得以抵消。

根据本发明的第三实施例变型，光供应单元的led光源被布置为2dled阵列，其中驻定2dled阵列被固定地指派给驻定比色皿阵列的每个比色皿。

该变型享有上述第一变型的优点，这是因为可以在不移动组件的情况下实现光学测量单元，并且每个比色皿具有单独的光度计，该光度计具有固定指派的2dled阵列作为光源、且具有固定指派的光电二极管作为检测器。

相对于第三变型提供成本节省的一种变型表征为，光供应单元以类似于第三变型的方式被设计为2dled阵列，该2dled阵列以类似于第二变型的方式被设计成可沿驻定比色皿阵列移动。为了在长比色皿阵列的情形中进一步增加各个比色皿处的测量频度，还可以使多个2dled阵列被设计成可沿驻定比色皿阵列的各个分段移动。该第四变型比第三变型更加成本有效，这是因为并非针对每个比色皿都需要2dled阵列。

根据本发明的用于从液体介质获得测量信号的光学测量方法、特别是与本发明的第一实施例变型结合的光学测量方法表征为包括以下步骤：

·在比色皿中保持液体介质，这些比色皿彼此相邻排列并形成驻定比色皿阵列，

·藉由至少一个驻定光分布器设备来提供被辐射到比色皿中的入口辐射，该至少一个驻定光分布器设备与比色皿阵列的至少一个分段光学地接触，

·其中光被多个led光源在时间上相继照射到光分布器设备中，这些led光源在uv/vis/nir波长范围中以光谱上不同的方式进行发射，并且光被分布在各个比色皿之中，以及

·藉由驻定检测单元的被固定指派给每个比色皿的至少一个光电二极管来检测从比色皿出射的测量辐射。

从比色皿出射的测量辐射被转换成电测量信号，并在经过适当准备之后在显示器单元中显示。

以下将在示例性实施例的基础上更详细地解释本发明，这些实施例是部分示意性的并且其中：

图1a到图1d示出了根据现有技术的用于从液体介质获得测量信号的不同光学测量单元(光度计和光度测量设备)，

图2a以朝向光供应单元观察的三维视图示出了根据本发明的用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元的第一实施例变型，

图2b以朝向检测单元观察的三维视图示出了根据图2a的实施例变型，

图3a示出了根据图2a的光供应单元沿图3b中的线ii-ii的截面图示，

图3b示出了根据图2a的光供应单元沿图3a中的线iii-iii的截面图示，

图3c示出了根据图2a的光供应单元的管状主体的三维细节图示，

图3d示出了图3a的放大细节图示，

图3e示出了根据图3a的截面图示中的光供应单元的变型，

图3f以沿图3e中的线iv-iv的截面图示示出了根据图3e的光供应单元的变型，

图3g到图3i以根据图3f的截面图示示出了在比色皿的入口侧和出口侧的光束引导的三个不同详细变型，

图4示出了关于根据图2a的光学测量单元的电子致动的框图，

图5a示出了用于解说测量过程的第一示图(模式1和2)，

图5b示出了用于解说测量过程的第二示图(模式3)，

图6a以三维视图示出了根据本发明的用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元的第二实施例变型，

图6b示出了通过比色皿的与比色皿阵列垂直的轴的放大截面图示，

图7a以三维视图示出了根据本发明的用于从液体介质获得测量信号的光学测量单元的第三实施例变型，

图7b示出了通过比色皿的与比色皿阵列垂直的轴的放大截面图示，以及

图7c示出了图7a的放大细节图示。

图1a到1d中所示出的光学测量设备是与现有技术有关的示例并且已在上面描述的介绍部分中详细讨论。

在本发明的各个实施例变型中，具有相同功能的部件被提供有相同的附图标记。

根据本发明，用于从保持在驻定(也就是说，不可移动)比色皿阵列200的排成行的比色皿201中的液体介质获得测量信号的光学测量单元500的下述实施例变型包括以下基本元件：

用于将入口辐射发射到比色皿阵列200的比色皿201中的光供应单元540，该光供应单元540具有多个led光源541，这些led光源541在uv/vis/nir波长范围中以光谱上不同的方式进行发射，以及

用于检测从比色皿阵列200的比色皿201出射的测量辐射并用于将该测量辐射转换成电测量信号的检测单元550，该检测单元550被设计成使得至少一个光电二极管551以固定和驻定方式被指派给比色皿阵列200的每个比色皿201。

图2a和2b以及图3a到3d中示出的根据本发明的光学测量单元500的第一实施例变型具有至少一个驻定光分布器设备542，该至少一个驻定光分布器设备542将来自各个led光源541的光分布在驻定比色皿阵列200的各个比色皿201之中。在所示出的示例中，比色皿201按直线(即，线性地)布置，但驻定的弯曲或圆形布置也将是可构想的。

光分布器设备542具有由壁形成的腔，该腔的内表面543、544、545以及后壁和两个端面被设计成是至少部分地镜面反射的和/或漫反射的。光分布器设备542针对每个led光源541在底表面545中具有用于将光馈送到腔中的入口开口546，并且针对比色皿阵列200的每个比色皿201具有用于将光馈送到比色皿201中的出口开口547。

根据本发明，光分布器设备542顶部的与led光源541的入口开口546相对定位的内表面544被设计成是波纹状的和反射性的，其中波纹状内表面544的波纹优选地垂直于光分布器设备542的纵向延伸来取向，以将从各个led光源541进入的光在光分布器设备542的纵向方向上最佳地分布(参见图3b)。

为了确保将测量辐射尽可能均匀地施加到比色皿201，在顶部的光分布器设备542的与比色皿201的出口开口547相对的内表面543被设计成是漫反射的(参见图3a)。作为示例，硫酸钡(baso4)是用于在视场中从比色皿201的入口窗口202开始涂覆内表面543的合适材料。

为了改善光谱特性并将光馈送到光分布器设备542中，光供应单元540的至少一些led光源541具有光学滤光器，例如颜色滤光器或干涉滤光器。如果使用干涉滤光器553，则用于将光准直的至少一个光学元件被布置在干涉滤光器553的入口侧的光路中。

如图2a中所示并在图3a中详细示出的，led光源541可以具有被布置在tir透镜549中的led548、用于消除led的不平行光束分量的管状主体552、以及在光分布器设备542的输入侧的窄带滤光器(优选地为干涉滤光器553)。从干涉滤光器553出射的辐射(基本上为单色光)在该情形中应当具有以预定波长为中心的预定带宽，该预定带宽具有小于/等于10纳米的优选半带宽。

在这种情形中，管状体552可具有与led光源541的纵轴平行延伸的细长贯通开口570，所述贯通开口的壁571由吸光材料制成或涂覆有此类材料(参见图3c中所示的详细图示)。因此，在特定的容限内，由于偏斜的射线被管状体552吸收，因此仅平行对准的射线到达干涉滤光器553。

在根据图3e和3f的截面图示中示出了被布置在光分布器设备542的底面545上的led光源541的一个优选实施例变型。在该变型中，会聚透镜590被布置在干涉滤光器553的输入侧，该会聚透镜将从led548发射的光平行地对准以供进入干涉滤光器553，其中优选地非球面发散透镜591可被布置在干涉滤光器553的输出侧，以扇出进入光分布器设备542的辐射。

优选地，光线被扇出得如此远(参见图3f中的边缘射线s1、s2)以使得光分布器设备542的内表面尽可能均匀地被照射。在如图3e和3f中所示的矩形光分布器设备542的情形中，特别优选与底面545相对定位的表面544被照射尽可能大的区域，而侧向表面543不被直接照射。在对称发散透镜591的情形中，光线以椎体形状出射，其结果是，光分布器设备的与led光源541直接相对定位的表面544以基本上圆形的方式被照射(参见图3f，从左侧起第二led光源，边缘射线s3、s4)。为了使得在所有出口窗口547中基本上均匀的光量从光分布器设备542的每个led光源541出射，藉由非球面发散透镜591尽可能均匀地照射整个表面544是有利的(参见图3f，从左侧起第一led光源，边缘射线s1、s2)。图3f中所示的示图中最右侧的led光源541没有发散透镜，以使得在该情形中平行射线束进入光分布器设备542。在该情形中，如果直接相对定位的表面544被设计成波纹状并且可能地镜面反射以实现更好的光分布，则是有利的。

为了一方面在光分布器设备542与各个比色皿201之间并且另一方面在比色皿201与检测单元550的光电二极管551之间获得最佳光束引导，根据本发明，通道状馈通件578被布置在每个比色皿201的入口窗口202的进入侧和出口窗口203的出口侧的比色皿接纳部579的壁中，所述馈通件具有用以消除从光分布器设备542出射的比色皿入口辐射中的非期望辐射分量u1和从比色皿201出射的测量辐射中的非期望辐射分量u2的配件或变型。

作为示例，根据图3i中所示出的实施例变型，比色皿接纳部579中的每个通道状馈通件578可被设计为具有平滑表面的通道594，该通道594具有比孔的长度要小的直径，并且由此可以在前往光电二极管551的路径上筛去非期望辐射分量u1、u2。

在一个优选变型中，如图3h中所示，通道状馈通件578可具有间隙593或腔，非期望辐射分量u1、u2在该间隙或腔中消失。

根据一个特别有利的变型，如图3g中所示，通道状馈通件578可具有凹槽或锯齿结构592，与辐射轴具有太大角度偏离的非期望辐射分量u1、u2在该凹槽或锯齿结构592处被阻挡或吸收。该变型可以在沿所有比色皿位置延伸的单个组件中不昂贵地产生，可以藉由螺纹孔来实现凹槽结构592。

为了满足要求，在光学测量单元中对光的指导或指引分多个步骤进行：

·在第一步骤中，从led548在空间上广泛发射的光藉由光学透镜、tir透镜549或抛物线反射镜被收集、被平行化、并被指向光分布器设备542的内部。替换地，如图3e中所示，led548还可被布置在会聚透镜590的焦点处，该会聚透镜590将来自led548的光以尽可能平行的方式对准。

·在(可任选的)第二步骤中，在使用tir透镜的情况下，藉由管状体552或其他管状元件阻止未充分平行化的光分量进一步行进。

·在第三步骤中，提供光学带通滤光器(例如干涉滤光器553)以获得预定义的窄带单色光。发散透镜591可以可任选地被布置在干涉滤波器553的下游，以适当地扇出从干涉滤波器553出射的辐射。

·在第四步骤中，在光分布器设备542的内部，由各个led光源541产生的光尽可能均匀地分布，并被指引到各个比色皿201中。为此，基本上立方体的光分布器设备542被设计成使得漫反射表面543与出口开口547相对地布置，并且除了入口开口和出口开口之外，内表面的其余部分被设计成漫反射的和/或镜面反射的。优选地，顶表面具有波纹状结构544(参见图3b)，而其他内表面优选地是平坦的，以使得在从约340nm至800nm的光谱范围内的光尽可能有效地被散射或反射。在光分布器设备542的后壁中布置有出口开口547，光可以通过该出口开口547直接传递到比色皿201的入口窗口202。

·在第五步骤中，通过馈通件578创建指向比色皿201内部的射线束，可任选地在光分布器设备542与比色皿201之间插入光阑。

·在第六步骤中，测量辐射从比色皿201的出口窗口203被指向检测单元550的光电二极管551，可任选地插入光阑。

根据本发明，监视或参考检测器575被布置在光分布器设备542上、被布置在贯通开口或针孔光阑576的出口侧，该贯通开口或针孔光阑576被布置在光分布器设备542的壁中(例如后壁中)，通过这些监视或参考检测器可以随时检测测量辐射的波动。针孔光阑576连同参考检测器575可以被指派给每个比色皿201。如果为每个比色皿201指派参考光电二极管，则这些参考光电二极管优选地位于光分布器设备542的出口开口547处。还可以在光分布器设备542中仅提供两个或三个针孔光阑576连同参考检测器575(参见图2a)。

如图2a/b中所示，驻定比色皿阵列200可以被分段或划分成多个部分，其中单独的光供应单元540被固定地指派给每个分段210。

向每个分段210指派共用的光分布器设备542，该光分布器设备542在分段的整个长度上延伸并具有足够数目(n个)安装位置用于led光源541，以获得多达例如16个具有不同波长(λ1至λn)的光的光学通道。led光源541的各个led可以优选地以led阵列的形式被布置在例如由铝制成的共用印刷电路板582上。为了增加强度，毗邻安装位置(参见图2a)可以装有相同波长的led光源。在每个比色皿201的前入口窗口202的与光分布器设备542毗邻的区域中，光分布器设备542具有圆形开口(所谓的出口开口547)，由led产生的光通过该圆形开口被照射通过入口窗口202进入比色皿201的内部。比色皿201中的出口开口547与入口窗口202之间的比色皿接纳部579中的馈通件578还可以是漏斗形的(如图3d中所示)，并且可以可任选地包含光阑。

比色皿接纳部579中的光学馈通件578由此可被彼此独立地设计并且按漏斗形的方式被设计在比色皿201的入口窗口202与出口窗口203的两侧(图3d)，被设计为具有平滑表面的通道594(图3i)，具有凹槽或锯齿结构592(图3g)，或具有位于通道中的腔或间隙593(图3h)。

如图3e中所示，不同结构(比色皿201的入口侧的径向间隙593和比色皿201的出口侧的凹槽结构592)还可以在比色皿接纳部579中被组合以消除不期望的散射辐射。

优选地，比色皿接纳部579中的通道状馈通件578的壁由吸光材料制成或涂覆有此类材料。

通过内壁上的多次散射和反射在光分布器设备542内分布光，来自led光源541每个光通道的光穿过圆形出口开口547进入每个相关联比色皿201的入口窗口202。

透射通过比色皿201的光的强度i藉由光电二极管551的驻定阵列(每个比色皿至少一个光电二极管)来测量，这些光电二极管各自被固定地放置在比色皿201的后出口窗口203的后面，所述出口窗口远离光分布器设备542。

可任选地，第二光电二极管(未示出)可以以从连续光束路径旋转例如90°的角度被布置在每个比色皿201上，以执行比浊散射光测量。

为了确保led光源541的恒定环境温度，温度受控(可以进行冷却和加热)的固态铝块583例如藉由珀尔帖组件被安装在led光源542的印刷电路板582上。

图4中示意性地示出的用于光学测量单元500的电子器件由多个电路单元构成，这些电路单元分布在多个印刷电路板上并且根据其功能几何地放置在驻定比色皿阵列200上(参见箭头)。

在所示出的示例中，发射单元580的印刷电路板包含16个并联电流源581，每个并联电流源被指派给具有特定波长的特定光源(led548)。电流源581可以由光学控制器(584)在电流强度方面并在脉冲长度方面进行调节，以使得可以为光脉冲设置依照长度和强度的期望电流脉冲。还可以为每个led通道单独地调节led电源电压。出于温度控制目的，发射单元580的电路板被拧紧到具有冷却片577的铝块583(参见图2a)，并藉由珀尔帖元件被调节到可设置温度，例如29℃至41℃之间。电流源581的热漂移由此可被减小到最小。在电流源581中发生的功率损耗通过时间上相继的致动而被抵消。每单位时间总是仅激活一个电流源581，并且由此也总是仅生成具有特定预定义波长的光。

实际光源藉由具有期望的16个波长的16个所选led548在单独的冷却铝印刷电路板582上实现。铝印刷电路板582由于led的更好的热耦合而被使用，被拧紧到铝块583，并且由此也以恒定温度(例如+37℃)操作。尽管脉冲长度不同，但led具有恒定的平均温度，并且由此也产生较低的光谱偏移。

具有led的铝印刷电路板582被直接布置在光分布器设备542上(参见图2a)，以保证将光最佳耦合到光分布器设备542中。来自led548的光首先经由tir透镜549和管状体552平行地对准，随后经由光学滤光器553被光谱滤光，并且随后在光分布器设备542的内部尽可能均匀地广泛分布，以使得光可以在16个毗邻出口开口547处耦合到驻定比色皿阵列的16个比色皿201(参见图4中的箭头200)。

另一印刷电路板585装备有多达16个监视或参考光电二极管575，这些光电二极管575在由led548产生的光通过相应的比色皿之前检测到这些光。然而，也可以仅使用两个全局监视或参考光电二极管575。在该情形中，不直接在每个比色皿的前面测量光，而是在光分布器设备542的多个合适点处测量光。由于恒定的几何条件，可以借助几何因子来计算每个比色皿前面的光。

检测器单元550的印刷电路板586位于比色皿阵列200的比色皿的出口侧。该印刷电路板包含用于从比色皿201出射的透射光的数个光电二极管551，这些光电二极管551的数目对应于比色皿阵列200的分段210中的比色皿数目(在所示出的示例中为16个光电二极管)。对于每个比色皿，检测器单元处理用于透射光和监视或参考光的这两个相关联光电二极管551、575的两个模拟值。对于散射光测量(比浊法)，可以由被布置在侧面的光电二极管从每个比色皿中检测第三模拟值，但是为了清楚起见在图4中未示出其信号路径。

从光电二极管551、575开始的这两个信号路径被两个16:1复用器587、反相器、积分器和adc同步处理，并被转换成数字测量值。复用器587使得可以选择例如16个比色皿通道并且以可配置的次序在时间上相继地在这些通道之间切换。

特别是在具有高消光值的测量的情形中，光可能会在比色皿201中衰减数十年。在高消光值的情形中，光电二极管551通常在恰好高于暗值的最低致动范围中操作。所得到的非常低的光电流对于所有类型的电干扰信号具有高灵敏度。因此至关重要的是，来自光电二极管的信号(光电流)在检测器、光敏层的邻近空间中被放大，并且电路的电压供应和布局两者在电干扰方面被优化。

优选布置包括在单个印刷电路板586上提供的紧凑电路，所述电路包括检测单元550的多个光电二极管551，这些光电二极管551在离比色皿阵列200的比色皿201一距离处彼此相邻排列，其中前置放大器589(优选地跨阻放大器)直接被布置在各个光电二极管551的电输出后面，之后是低通滤波器、复用器、积分器和24位adc。特别优选具有集成在光电二极管的壳体中的跨阻放大器的光电二极管551。

另外，相同检测器电路板上经干净滤波的电源电压和相应低噪声参考电压对于测量信号的质量至关重要。此外，还必须通过印刷电路板的恒定受控温度使各组件的温度漂移保持最小。

如果驻定比色皿阵列200被分段，并且如果单独的光分布器设备542被固定地指派给每个分段210(参见图2a/b)，则将附加的印刷电路板用于发射单元580，将印刷电路板用于led582，将印刷电路板用于监视或参考二极管575，以及可任选地将印刷电路板用于检测器单元586，所述印刷电路板以虚线指示。作为示例，如果96个比色皿201被布置在驻定比色皿阵列200中，则可以提供六个单独的光分布器设备542，每个光分布器设备540具有至固定指派的比色皿201的16个出口开口。

用于光学测量单元500的中央印刷电路板584装备有光学控制器。光学控制单元由可编程逻辑(fpga)实现为状态机，并且可以同时操作发射单元580和检测器单元586。为了生成正确的时间序列，各个光测量被分解为亮测量和暗测量，并且可以在配置存储器中逐行以不同方式进行参数化。状态机按顺序遍历这些配置行，也有可能跳过行。亮测量和暗测量之间的区别由配置行中的标记定义，期望的比色皿通道和光源也是如此。配置行还包含期望的延迟设置、电流强度和脉冲长度，以及对参考光电二极管、led电源电压、过采样和平均设置以及周期历时的选择。

检测器单元586以与发射单元580同步的方式被致动，并且可以由具有平均或过采样设置的全局参数来设置。还从配置行中读取出要对光信号进行积分的期望积分时间。积分器的延迟时间和积分斜率在此处也可以藉由全局参数来选择，以使得由此可以切换测量信号的稳定时间和积分速度。

模拟测量值由此经由复用器587从具有跨阻放大器的对应光电二极管551选择，并藉由反相器和积分器以及可任选的对数放大器进行测量，并在过采样或没有过采样的情况下由高分辨率adc测量进行数字化。最后，如果还进行散射光测量，则三个模拟测量值(透射光、监视光或参考光、散射光)由三个adc同时进行数字化，并作为原始测量值逐行存储在内部存储器中。必需同时进行对透射光和监视光或参考光以及可任选的散射光的测量。

内部存储器包含所有原始数据，并由评估处理器藉由软件循环地读取，并通过转换算法被转换成最终测量值。该转换考虑了试剂混合之前和之后的暗值和亮值以及i0测量和i1测量。测量值随时间的变化也可以通过相继测量来检测。测量周期性地发生并根据设置的周期历时来产生可重复的测量循环是必要的。

对于每个比色皿，经计算的数据被打包到定义的数据分组中，并藉由本地以太网接口被传送到主计算机588。借助这种数据减少，可以处理光学测量单元500的比色皿阵列200的所有比色皿，并传输到主计算机588。

在该测量方法中，可以以高采样频率(>1hz)快速相继地测量每个比色皿的i或i0。存在多种可能性来致动和读取检测单元500的多个led光源541和光电二极管551。

针对所使用的测量模式的比色皿和波长的每种组合，关于脉冲历时和积分历时以及所使用的电流电平来定义各个led光源541的周期性致动信号，并且该致动信号在操作期间不改变。

在所示出的示例中，经由16个单独的电流源581和相关联的硬件来进行对16个led光源541的致动。每个比色皿对led光源541的每个光谱通道的曝光以及所使用的积分时间是单独定义的(16×16种组合)。各个led(或在某些位置还包括多个led，以增加强度)在一次测量循环过程中均按顺序发射一个光脉冲，所述光脉冲在光分布器设备542内部的内壁上被反射多次，并最终通过16个出口开口547到达16个相关联的比色皿201(参见图3a)。

提供了各种测量模式：

模式1：以恒定积分时间以及可变电流强度和脉冲历时来检测动态闪烁led信号(256次闪烁)

模式2：以可变积分时间(256次led驱动)和可变电流强度来检测静态led信号

模式3：以可变积分时间(16次led驱动)来检测静态led信号

针对比色皿和波长的每种组合单独进行测量，在模式1和2中为每个测量点生成一个光脉冲。

如图5a中所示，在模式1和2中，各个led光源541的光谱通道(λ1...λ16)以设置的次序被激活和停用。结果产生的闪光由复用器587所选择的光电二极管551来检测和测量。在遍历所有光谱通道之后，传感器从比色皿位置k1变换到比色皿位置k2，并且以相同的次序生成比色皿位置k2所需要的闪光。在完全遍历所有16个比色皿位置(即16×16次指示灯闪烁)之后，完成一次采样，并且可以发起下一次采样。借助该过程，可以实现每秒多达四次采样。在模式1和2中，依次执行交替的暗测量和亮测量，以使得每次采样执行总共512次单独测量。

根据模式1和2的测量方法由此表征为，各个led光源541的光谱通道λ1...λn按预定义次序被激活和停用，其中在每种情形中，被布置在第一比色皿位置k1的光电二极管551被检测，并且在遍历第一比色皿位置k1中的所有光谱通道之后，发生至下一比色皿位置k2的转变。在测量模式1或2中一个循环的时间历时>＝0.25秒。

在图5b中示意性示出的测量模式3中，led光源541以与模式1或2中不同的次序被切换。

每个led光源541或每个光谱通道在循环中仅开启一次(由点划线所指示)，并且之后依次测量所有16个比色皿，在这些单独测量之间不进行暗测量。延迟地测量第一比色皿k1，以使得检测器单元550的相关联光电二极管551具有足够的时间来稳定。其他比色皿k2至k16可以更快速地相继测量，而无需任何附加的稳定时间。

在一个循环内，每个led仅开启一次，在每种情形中测量所有16个比色皿。如果需要进行暗测量，则暗值被测量一次，例如在测量16个比色皿的循环开始或结束时测量。

在16个波长或16个光谱通道(λ1...λ16)和16个比色皿位置的情形中，需要16×16次光测量。如果添加16个暗测量值(每个循环一次)，则这导致272次单独测量。在测量模式3中一个循环的时间历时>＝0.5秒。

根据模式3的测量方法表征为，第一led光源541的光谱通道λ1被激活，其中被布置在比色皿位置k1...km中的光电二极管551按预定义次序被检测，其中，在遍历所有比色皿位置k1...km之后，下一led光源541的下一光谱通道λ2被激活。

模式3的优点：

·模式3总体上比在模式1和模式2中以交替方式执行的512次暗/亮测量要快，这是因为光电二极管需要总体上较少的测量和较少的稳定时间。

·仅需要在比色皿k1的首次光测量之前考虑光电二极管的稳定时间；其余15个比色皿k2至k16可以紧随其后。

·因此，总体而言，与模式1或2相比实现每个循环短得多的采样时间。

在图6a和图6b中示出的根据本发明的光学测量单元500的第二实施例变型中，光供应单元540具有包括多个led光源541的至少一个一维棒状光源阵列554，该光源阵列沿例如分析设备的驻定比色皿阵列200取向并且被设计成可沿驻定比色皿阵列200移动。光源阵列554的每个led光源541由此可以被指派给驻定比色皿阵列200的每个比色皿201。

在该实施例变型中，优选地在每种情形中，一个led光源541与分束器555和参考检测器556一起被布置在共用(例如管状)壳体560中。彼此相邻布置的各个led光源541的光路由此可以被分开。

棒状光源阵列554的各个led光源541可以具有用于将光馈送到比色皿201中的准直光学元件557和用于改善光的光谱特性的窄带滤光器558。另外，可以提供聚光器(优选地会聚透镜559)以用于将光聚集到比色皿201中。

如果各个led光源541被设计为窄带发射和发射平行光的激光二极管，则用于准直的光学元件557、用于滤光的光学元件558和用于聚集的光学元件559可以完全或至少部分地省略。

固定地指派给驻定比色皿阵列200的各个比色皿201的检测单元550的光电二极管551优选地作为光电二极管阵列被布置在共用电路板572上。检测单元550具有(来自驻定比色皿阵列200的每个比色皿201)接纳部573，该接纳部573例如是管状的并且在其中(如果必要的话)布置有用于将测量辐射聚集到光电二极管551上的光学元件569以及(如果必要的话)滤光器元件574。

利用该模块变型，可以在驻定线性比色皿阵列200的多个比色皿201上在紫外和可见光的波长范围中的单个和/或多个波长下执行各种光度和浊度测量，其中光供应单元540的不同波长的各个led光源541被相继放置在各个比色皿201的前面。穿过相应比色皿201的光的强度随后在每种情形中由被固定指派的驻定检测器单元550来测量。作为这种放置的替换，“运行中”测量、即在移动经过时测量也是可能的。

在图7a、7b和7c中示出的根据本发明的光学测量单元500的第三实施例变型中，光供应单元540的led光源541被布置为2dled阵列561，其中驻定2dled阵列561被固定地指派给驻定比色皿阵列200的每个比色皿201。在该实施例变型中，以与第一实施例变型类似的方式，一方面的比色皿阵列200的比色皿201与另一方面的光供应单元540和检测单元550之间未发生相对移动，其结果是，由于省略了光学测量单元500内的机械移动而可以显著加快测量过程。

根据第三实施例变型的一个子变型，光供应单元540中的led光源541可以被布置为单个2dled阵列561(如图7c中所示的详细图示)，其中光供应单元540被设计成可沿整个驻定比色皿阵列200或沿比色皿阵列200的分段210移动(以类似于图6a中所示的方式)，以使得2dled阵列561可以被指派给比色皿阵列200的每个比色皿201或被指派给比色皿阵列200的每个分段210。如果比色皿阵列200被分段，则为每个分段210提供具有2dled阵列561的光供应单元540。

为了将来自2dled阵列561的各个led548的光馈送到比色皿201中，提供了用于准直来自各个led的光的2d透镜阵列562。另外，在光束路径中布置用于光的窄带滤光的2d滤光器阵列563以改善光谱特性。滤光器阵列563在一些位置可能不具有滤光器功能，例如，如果窄带且平行发射的激光二极管被布置在2dled阵列561的该位置。

在光束路径中还提供了至少一个聚光器(优选地是会聚透镜564)，以用于将光聚集到各个比色皿201中。

特别优选2dled阵列561由接合到单个基板565的led发射器构成的实施例变型，其中2d透镜阵列562是2d微透镜阵列，而2d滤光器阵列563是2d微干涉滤光器阵列。

在每种情形中，包括2dled阵列561、2d透镜阵列562、2d滤光器阵列563和会聚透镜564的一个led光源541可优选地与分束器566和参考检测器567一起被布置在共用壳体568中。

在该变型中，每个比色皿201具有单独的光度计单元，该光度计单元包括光供应单元，以供应具有由各个led548产生的多达9、12或16个不同波长(λ1至λn)的光。当使用藉由压入式安装焊接到电路板的商用led(边长约2mm，并且间距约0.5mm)时，在4×4阵列的情形中预期表面积约为10×10mm²。

当将各个led的半导体布置为cob(板上芯片)时，可以在小于5×5mm²的节省空间的表面积上实现这些半导体。在cob技术的情形中，led芯片优选地被直接接合到高导热铝电路板。

在300至900μm的边长和约100μm的间距的情况下，例如可以在具有1.6至4mm的边长的正方形表面上容适16个led芯片。2d微透镜阵列的各个准直透镜以及2d干涉滤光器阵列的干涉滤光器相应地具有高达900μm的直径。为了进一步改善准直度(平行度)，针孔光阑阵列可以被放置在led阵列上，以使得可以以充分点状的方式来呈现发光区域，而不管发光半导体表面的大小如何。

led芯片可以被布置在按列或行排列的2d阵列上，例如3×3、3×4或4×4，或者也可以以同心圆方式布置。

如已经结合图6a/b中所示的变型描述的，检测单元550具有来自驻定比色皿阵列200的每个比色皿201的接纳部573，该接纳部573例如是管状的并且在其中布置有用于将测量辐射聚集到光电二极管551上的光学元件569以及(如果必要的话)滤光器元件574。

被固定地指派给各个比色皿201的检测单元550的光电二极管551优选地作为光电二极管阵列被布置在共用电路板572上。