DE2365286A1

DE2365286A1 - Vorrichtung fuer die klinische analyse

Info

Publication number: DE2365286A1
Application number: DE2365286A
Authority: DE
Inventors: Herbert M Cullis; Willard Fordham; Charles I Soodak
Original assignee: Baxter Laboratories Inc
Current assignee: Cooper Laboratories Inc
Priority date: 1973-01-10
Filing date: 1973-12-31
Publication date: 1974-08-08
Also published as: NL7400079A; NO137799B; DE2365286C3; FR2213498A1; CA987130A; CH587481A5; DE2365286B2; FR2213498B1; GB1448132A; US3856470A; NO740058L; SE395189B; JPS49104698A; NO137799C; IT1014531B

Description

28.12.1973

B-370

Baxter Laboratories,Inc, - Morton Grove, Illinois,

V.St.A.

Vorrichtung für die klinische Analyse

Die Er-findung betrifft eine Vorrichtung für die klinische Analyse, und insbesondere eine solche Vorrichtung, die in der Lage ist, aufeinanderfolgend und im wesentlichen gleichzeitig verschiedene chemische Reaktionen zu überwachen, um das Vorliegen bestimmter Substanzen in jeder einer Vielzahl von diskreten Proben festzustellen. Die Erfindung betrifft speziell eine Rotoranordnung der Vorrichtung, die eine Transportscheibe enthält, in der die Bestandteile einzeln, jeweils voneinander getrennt, angeordnet sind? weiterhin ist ein Küvettenrotor zur Aufnahme der Bestandteile in einer Vielzahl von optischen Beobachtungskammern vorgesehen. Der Küvettenrotor enthält Einrichtungen, die so ausgebildet sind, daß sie die reagierenden Bestandteile in der Kammer schnell und genau aufwärmen und anschliessend

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die miteinander reagierenden Bestandteile auf der Temperatur halten, auf die sie aufgewärmt worden sind.

Eine typische Vorrichtung des hier erläuterten Typs ist das mit einem Computer gekoppelte Analysengerät, das unter der Schirmherrschaft des National Institute of General Medical Sciences und der United States Atomic Energy Commission entwickelt worden ist; ein solches Gerät ist unter dem Namen GeMSAEC - System bekannt. Dieses System arbeitet vollkommen automatisch, um eine Reaktion vom Zeitpunkt Null bis zum vollständigen Ablauf zu überwachen. Eine Anzeige für die gesarate oder einen Teil der Reaktion kann geliefert werden.

Zur weiteren Erläuterung der angekoppelten elektronischen Einrichtungen und z.B. einer speziellen Diskussion des Aufbaus bestimmter Ausführungsformen der Transportscheibe, um die miteinander reagierenden Materialien getrennt zu speichern, bis sie beim Betrieb gemischt werden, wird auf folgende Patentschriften verwiesen: US - PS 3,536,106} US - PS 3,547,547," US - PS 3, 555*284; US- PS 3,582,218 und US - PS 3,586,484, die für Norman G. Anderson erteilt wurden, sowie US - PS 3,5l4,6l3, erteilt für Douglas N. MashburnJ alle diese Patente sind auf die United States Atomic Energy Commission übertragen worden. In der folgenden Erläuterung soll davon ausgegangen werden, daß die Transportscheibe wenigstens zwei Vertiefungen aufweisen kann, die radial zu der Drechachse der

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Scheibe angeordnet sind« In jede eine Kammer bildende
Vertiefung -werden getrennte Bestandteile eingebracht.
Ein ebenfalls radial zur Drehachse angebrachter Durchgang
stellt eine Verbindung zwischen den getrennten Bestandteilen und einer Kammer eines Küvettenrotors nach der
vorliegenden Erfindiing hei'.

Obwohl das oben erwähnte GeMSAEC - System einen bedeutenden Fortschritt auf dem Feld der biochemischen und klinischen Analyse darstellt, so hat es doch einen wesentlichen Nachteil» Wie sich am besten aus dem gesamten Stand der
Technik auf diesem Gebiet erkennen läßt, ist in diesem
Zusammenhang bisher kein Versuch unternommen worden, um
in einem automatisierten System Einrichtungen zu schaffen, die die Reaktionsteilnehmer aufwärmen und auf einer vorher bestimmten Temperatur halten.

Eine wichtige Anwendung der Vorrichtung ist die Durchführung von chemischen Analysen, insbesondere auf klinisch wesentliche Blut-Enzyme. Die Vorrichtung überwacht die optischen Veränderungen, die nicht nur beim Mischen des Serums mit
einem besonderen Reagenz sondern auch während der darauf
folgenden Reaktion auftreten. Die optischen Veränderungen stehen in einer stöchiometrischen Beziehung zu der Quantität oder dem Ausmaß der chemischen Reaktion. Dg^bei allen
chemischen Reaktionen der Ablauf bis zum Ende der Reaktion

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und damit zum Erreichen des Gleichgewichtes temperaturabhängig ist, muß bei einer Messung der chemischen Reaktionsprozesse die Temperatur berücksichtigt werden.

Es ist insbesondere von Bedeutung, daß die miteinander reagierenden Bestandteile schnell auf die erwünschte Temperatur gebracht werden. In diesem Zusammenhang muß die Aufzeichnung von Daten und Informationen dann beginnen, wenn sich die Reaktionsteilnehmer auf der geeigneten Temperatur befinden. Die Messung von Bltit-Enzymen wird durchgeführt, indem die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der die Enzyme reagieren^ diese Reaktion wird beginnen, sobald die Reaktionsteilnehraer zusammengebracht werden. Im allgemeinen beträgt die maximale, zur Temperatureinstellung zulässige Zeitspanne ungefähr 60 Sekunden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sollten die Reaktionsteilnehmer in ungefähr 3o Sekunden auf der eingestellten Temperatur, die in einem Bereich von z.B. 0 C bis 50 C liegen kann, sein. Die eingestellte Temperatur der Reaktionsteilnehmer und die spezifische absolute Temperatur, bei der chemische Reaktionen durchgeführt werden, werden gemäß einer internationalen Konvention für die hier betrachteten Verfahren festgelegt. Z.B. gehen die meisten Testverfahren für eine bestimmte chemische Analyse von einer spezifischen absoluten Temperatur von entweder 25 C, 30 C oder 37 C aus; wird die Untersuchung auf einer von 30 C verschiedenen spezifischen absoluten Temperatur durchge-

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führt, so muß das Ergebnis auf 30 C korrigiert werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der oben angegebenen Gattung zu schaffen, die die Möglichkeit zum Aufheizen bietete Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der Küvettenrotor eine Heizeinrichtung, die in engem Kontakt mit der Oberfläche einer jeden eine Küvettenzelle bildenden' Kammer steht, in die die Realctionsteilnehmer eingebracht werden.

Wie später im einzelnen beschrieben werden wird, kann der Küvettenrotor aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit gebildet werden, um dadurch rasch Wärme von der Heizeinrichtung auf die flüssigen Re akt ions teilnehme!" zu übertragen, die über den gesamten Kamiaerbereich in Berührung mit den Wänden sind. Wie ebenfalls beschrieben werden wird, muß das Material darüberhinaus noch andere Merkmale aufweisen, um das Auftreten bestimmter analytischer Probleme und/ oder nachteiliger Effekte zu verhindern.Danach sollte der Küvettenrotor aus einem Material hergestellt werden, das neutral oder r.eakt ions träge ist, um dadurch nicht die Reaktion der Flüssigkeiten und die aufzuzeichnenden Daten und Informationen zu beeinflussen. Außerdem muß die mit den Reaktionsteilnehmern in Berührung kommende Oberfläche des Materials so ausgebildet sein, daß daran physikalische Bindungen von eiweißartigen Substanzen, mit deren. Auftreten

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man bei Blutproben rechnen muß, verhindert werden. Weiterhin muß in diesem Zusammenhang davon aisgegangen vrerden, daß der Küvettenrotor wiederholt und häufig eingesetzt wii~d_o

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Heizeinrichtung in dein Küvettenrotor innerhalb einer kritischen ToIeranzgrenze einreguliert werden,so daß sich eine genau einstellbare Aufheizmöglichkeifc in einem Temperaturbereich ergibt, wie er für jedes mögliche Testverfahren erforderlich ist. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Heizeinrichtung kontinuierlich überwacht, um dadurch die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf dem eingeregelten Pegel der Wärmeenergie zu halten.

Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden in dem Küvettenrotor Mittel vorgesehen, um die Reaktionsteilnehmer aus der Kammer abzuziehen, nachdem die erwünschten Daten während der chemischen Reaktion abgeleitet worden sind. Dazu enthält der Küvettenrotor eine Siphon- oder Heberanordnung, die mit jeder Kammer in V_eri}i_ncj_ung steht. Während der Informationswiedergewinnung kann der Heber nicht in Betrieb gesetzt werden.·

Wird jedoch auf die flüssigen Reaktionsteilnehmer in der Kammer ein Druck ausgeübt, der oberhalb der durch die

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Drehung entwickelten Kräfte liegt, so werden die Reaktionsteilnehmer aus der Kammer getrieben und als Abfall gesammelt, Ein zusätzlicher Druck wird ebenfalls während des Weaihens der Küvet teilkammer η nach jedem Test und als Vorbereitung für einen darauffolgenden Tost erforderlich sein.

Darüberhinaus ist bei der vorliegenden Erfindung der Einbau von Einrichtungen gemeinsam mit dem Küvettenrotor vorgesehen, uui einen Aufbau von statischen elektrischen Ladungen auf den sich drehenden optischen Oberflächen zu verhindern. Der Aufbau von Ladungen kann durch die Verwendung einer geerdeten Dichtungsscheibe aus einer Metallfolie, die sich in Kontakt mit den optischen Oberflächen befindet, verhindert werden.

Die bisherige Beschreibung dient dazu, in groben Zügen bestimmte der wichtigeren Merkmale der Erfindung zu umreissen, um das Verständnis der nun folgenden detaillierten zu erleichtern. Außerdem läßt sich dadurch auch der Beitrag zu diesem technischen Gebiet besser ermessen. Es gibt natürlich noch zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung, die im folgenden im einzelnen beschrieben werden und ebenfalls ein Objekt der im Anschluß aufgeführten Ansprüche sind. Die Fachleute auf diesem Gebiet , an die sich die vorliegende Erfindung richtet, werden davon ausgehen, daß die Grundkonzeption, auf der diese Erläuterung aufbaut,

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leicht als Basis für den Entwurf anderer Vorrichtungen verwendet werden kann, um die verschiedenen Lösungs— wege der vorliegenden Erfindung auszuführen. Es ist deshalb wichtig, daß die Ansprüche auch solche aequivalenten Konstruktionen umfassen sollen, die noch in den Gedanken und den Umfang der Erfindung fallen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen;

Figur 1 einen Aufriss, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung zur Messung von chemischerjReaktionen^

Figur 2 eine Ansicht der Unterseite eines Teils des Rotors der Vorrichtung nach Fig, I, und insbesondere des Teils des Roto_rSjder unter gesteuerten Bedingungen aufgeheizt werden kann;

Figur 3 eine explodierte Ansicht des Rotorteils von Fig. 2,'

Figur k eine Draufsicht des Teils von Fig. 2;

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Figur 5 eine vergrößerte Ansicht des Teils von Fig.4, der durch den Kreis strichpunktie/gekennzeichnet ist;

Figur 6 einen Querschnitt längs Linie 6-6 in Fig. 5 ; und

Figur 7 eine schematische Ansicht des verwendeten Aufheiz-und Abfühl-Schaltkreises.

Die in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellte Struktur bildet nur einen kleinen Teil der Gesamtvorrichtung, die zur Messung einer chemischen Reaktion in Abhängigkeit von dein Lichtdurchlaßgrad als Messparameter verwendet werden kann. Die Vorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, schnell und genau festzustellen, ob bestimmte Substanzen in einer Serumprobe eines Patienten, die mit einem anomalen Zustand identifizierbar sind,vor3.iegen ( oder nicht ). Bei der im folgenden zu erläuternden Ausführungsform der Erfindung können nacheinander Ik chemische Reaktionen nahezu gleichzeitig identifiziert und überwacht werden. Diese Reaktionen werden mit einer bekannten Probe verglichen, die in einer der 15 Küvettenkammern angeordnet ist. Soweit es praktisch ist, kann jede beliebige Anzahl von Küvettenkammern, die der Anzahl von Gruppierungen von radial angeordneten, als Kammern dienenden Vertiefungen in der Transportscheibe entsprechen, verwendet werden.

Der Aufbau nach Fig„ 1 enthält ein Gehäuse mit einem eine Kammer 14 bildenden oberen Teil 12. Eine im folgenden zu beschreibende Rotoranordnung 16 ist in. der Weise angebaut, daß sie sich in der Kammer bewegen kann» Ein unterer Teil des Gehäuses dient dazu, eine Welle 20 zu timgeben, die in dem oberen Gehäuse aufgenommen wird. Die Welle ist an einem Ende mit dem Rotor verbunden. Dazu können irgendwelche bekannten Mittel verwendet werden. An dem anderen Ende ist die Welle über ein geeignetes Getriebe an einen Antriebsmotor ( nicht dargestellt ) gekuppelt.

Eine Manschette 22 wird von den Gehäuseteilen gehalten. Dazu weist die Manschette einen radialen, umgebogenen Rand oder Plansch 2'i auf, der durch eine Schulter 26 des oberen Gehäuses getragen wird. Eine Vielzahl von Stellschrauben 28 , von denen nur eine dargestellt ist, und die auf dem Umfang im Abstand um den Flansch angeordnet sind, wird dazu verwendet, nicht nur den Flansch, wie oben erläutert, zu befestigen, sondern auch die oberen und unteren Gehäuse zu verbinden.

Die Manschette bildet darüberhinaus einen ringförmigen Ausschnitt 29 sowohl an dem oberen als auch an dem unteren Ende. In jedem Ausschnitt sind an der Welle befestigte Lagerelemente 30 zum Zvrecke der Lagerung angeordnet. In jedem Ausschnitt befinden sich ebenfalls Abdichtelemente 32. Die Abdichtelemente

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haben eine zylindrische Form mit im v/es entlichen L-förmigein Querschnitt. Der Steg eines jeden Elementes ist an der Manschette fest angeklebt oder auf andere Weise befestigt, s-o daß der radiale Schenkel sich im -wesentlichen senkrecht auf die Welle 20 zu und im schleifenden Kontakt mit ihr erstreckt. Die Abdichtelemente sollen verhindern, daß ein Serum eines Patienten oder ein Reagenzmaterial in den Bereich des Gehäuses des Antriebsmotors gelangt.

Die Rotoranordnung 16 enthält eine Transportscheibe 34 und einen Küvettenrotor- 36. Es ist schon erwähnt worden, daß der Küvettenrotor mehrere Kammern aufweist. Sowohl die Transportscheibe als auch der Küvettenrotor werden von einer Platte 38 gehalten. Darüber hinaus enthält die Rotoranordnung eine obenliegende Deckelplatte 40. Die Deckelplatte hat einen ringförmigen Aufbau und weist einen sich abwärts erstrekkenden Randteil 42 auf, dessen Zweck im folgenden erläutert werden soll. Eine Anzahl von Befestigungsschrauben 44 ist in Abständen um den Rotorumfang angeordnet und verbindet bestimmte Rotorbestandteile einschließlich des Küvettenrotors 36 und der Platten 38 und 40, so daß eine Drehbewegung der Rotoranordnung in dem oberen Gehäuse möglich ist. Die Transportscheibe 34 wird von der unteren Platte 38 gehalten und läßt sich leicht aus dem Kreisring herausnehmen, der durch den Küvettenrotor 36 gebildet wird.

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Wie bereits angedeutet wurde, kann die Vorrichtung eine schnelle und genaue Auswertung von Reaktionen durchführen, bei denen einer der Reaktionstexlnehtner Blutserum von einem Patienten ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird normalerweise über einen bestimmten Zeitraum von der Zeit Null, bei der die Reaktionsteilnehmer zum ersten Mal zusammengebracht werden, bis zur Vollendung oder bis zu dem Endpunkt der Reaktion bestimmt werden.

Um zunächst die Reaktionsteilnehmer voneinander zu isolieren und sie dann schnell zusammenzubringen, enthält die Transportscheibe in der oberen Oberfläche eine Vielzahl von Paaren von radial angeordneten Kammern 50» 52o In der gezeigten Ausführungsform gibt es 15 Paare von Kammern. In einein typischen Anwendungsfall wird Serum eines Patienten in der Kammer 52 angeordnet, während ein Reagenz in der Kammer 50 angeordnet wird. In eine jede Kammer einer jeden Gruppe von Kammern wird ein begrenztes und genau bekanntes Volumen eingefüllt. Das Beladen oder Einfüllen kann aufgrund irgendeiner der bekannten klinischen Techniken erfolgen, die üblicherweise verwendet werden.

Die Transportscheibe kann aus irgendeinem Metall- oder Kunststoff-Material aufgebaut sein, das, neben anderen Faktoren, stabil im Gebrauch ist und nicht nachteilig

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durch das Serum des Patienten oder irgendeinen der unterschiedlichen Reaktionsteilnehiner beeinflusst wird, die bei den Untersuchungen auf Glukose,Bilirubin, Albumin, LDII ( Laktat-Dehydrogenase ) verwendet werden , um nur eini.ge der bekannten und dokumentierten Untersuchungsverfahren zu nennen. Obwohl viele Metall- oder Kunststoff-Materialien mit Erfolg eingesetzt worden sind, so wird doch eine aus einem Kunststoff, wie z.B. einem Polytetrafluoräthylen -Polymer, das üblicherweise als TEFLON bezeichnet wird, gebildete Transportscheibe bevorzugt. TEFLON ist ein. eingetragenes Ifarenzeichen der E.I. du Pont de Nemours & Company,

Die Transportscheibe 3^ enthält eine weitere Vertiefung oder einen Behälter 5^t de^r eine erste Mischkammer* bi3.« det. Damit ergibt sich folgende Wirkungsweise: Durch die Drehung der Rotoranordnung und aufgrund der Entwicklung von Zentrifugalkräften durch die Drehung werden das Serum und der weitere Reaktionsteilnehmer aus ihren jeweiligen Vertiefungen oder Kammern in die Mischkammer ^k gefördert. Eine Öffnung ^S in der Fand der Transportscheibe dient dazu, die Reaktionsteilnehmer zu einem ausgerichteten Hohlraum oder einer Kammer in dem Küvettenrotor 36 zu führen.

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Eine Deckelanordnung (nicht in allen Einzelheiten dargestellt) wird von dem Gehäuse gehalten, um den Bereich der Kammern oder Vertiefungen 5O₅ 52 und 5^ einzuschliessen«, Die Deckelanordnung enthält einen inneren Deckel 51» der jedoch in der Figur dargestellt ist. Der innere Deckel weist im allgemeinen eine flache, untere Oberfläche und einen sich nach unten erstreckenden Randteil auf, um die äußere, nach oben stehende Wand der Transportscheibe in einer lockeren oder Laufpassung zu umgeben. Die übrigen Bestandteile der Deckel anordnung können halternd aiif dem Gehäuse über dem inneren Deckel durch Scharniere oder äquivalente Mittel aufgenommen werden; in der geschlossenen Position können sie durch einen federbelasteten Klinkenmechanismus gehalten werden. Ein O-Ring ist in geeigneter Weise zwischen der Deckelanordnung und der Wand:in einer Schulter in der Platte 40 angeordnet, um den Kammerbereich der Transportscheibe von der Kammer 14 abzudichten. Auf diese Weise werden sich die Reagenzien in ihrer Gesamtheit durch die Öffnung 56 bewegen.

Der Küvettenrotor 36 wird weiter unten in seinen Einzelteilen erläutert werden. Für die augenblickliche Beschreibung genügt die Aussage, daß sich die Reaktionsteilnehmer sicher in den Küvettenkammern befinden und dort gemischt werden, sobald sie während der Drehung des Rotors und der dadurch entwickelten Zentrifugalkräfte in diese überführt werden. Beobachtungsfenster 58 befinden sich sowohl

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oberhalb als auch unterhalb der Küvettenkanimern. Die Beobachtungsfenster können aus jedem optischen Material bestehen, das in der Lage ist, ohne merkliche Absorption Licht sowohl zu der Reagenzmittelprobe in den Küvettenkammern durchzulassen als auch anschliessend das nicht von dem Reagenzmittel absorbierte Licht zu einer lichtempfindlichen Einrichtung durchzulassen« Die Beobachtungsfenster können z.B. aus Plexiglas, Pyrexglas oder Quarz bestehen. Nach einer bevorztigten Ausführungsform werden die Beobachtungsfenster aus Quarz hergestellt. Ein Grund dafür ist, daß Quarzfenster Messungen im Ultx-aviolett-Bereich ermöglichen. Beide Beobachtungsfenster sind ringförmig im Umriss.

Die Gesamtvorrichtung hat folgende Wirkungsweise: Das analoge Ansprechsignal für den Wert des Lichtdurchlassgrades von einer der verschiedenen Küvettenkaramern wird mit den Kriterien von der Bezugs-Küvettenkaminer verglichen. Die Ausgabe der Meßdaten sollte jedoch in digitaler Form erfolgen. Deshalb wird das Ausgangssignal einer auf Licht ansprechenden Einrichtung, wie z.B. eine.s FotovervieIfachers 60, das proportional zu dem Wert des Lichtdurchlassgrades des Reaktionsmittels in der Küvettenkammer ist, in eine digitale Ausgabeanzeige umgewandelt und in einem Computer mit der digitalen Ausgabeanzeige verglichen, die eine Probe angibt;

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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird Licht von einer Quelle ( nicht dargestellt ) durch einen Spiegel·62 auf die Foto-.vervielfacher-Röhre refleirtiert „ Die Fotovervielfacher-Röhre wird in einem Gehäuse 64 gehalten. Mit Ausnahme des Lichtspaltes 66 ist das Gehäuse vollständig verschlossen, um zu verhindern, daß Streulicht auf die Fotovervielfacher - Röhre auftrifft. Dabei schaffen das untei-e Gehätise und die Rotorplatten jeweils einen Weg für das Licht längs des Weges ( angedeutet durch den Pfeil 68 ) von dem Spiegel 6l?>zu und durch den Gehäusespalt 66. Nach einer bevorzugten Aus führungsform enthält jede Platte eine Vielzahl von Öffnungen, die mit jeder der verschiedenen Küvettenkammarn ausgerichtet angeordnet sind.

Die Vorrichtung kann zur Durchführung irgendeiner oder mehrerer der vielen bekannten Untersuchungen verwendet werden, die an dem Serum eines Patienten vorgenommen werden. Im allgemeinen werden die einzelnen Untersuchungsergebnisse die Vervrendung von Licht unterschiedlicher Frequenzen erfordern. Deshalb kann das Gehäuse einen Filter für die gemessene Frequenz aufnehmen. Weiterhin kann auch monochromatisches Licht verwendet werden. Eine eine Zentralöffnung enthaltende Platte 72 wird von dem Gehäuse gehalten und hält wiederum den Filter. In einem typischen Anwendungs-

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fall wird dafür gesorgt werden, daß ein Filter durch einen anderen ersetzt werden kann, wie es für den speziellen Test erforderlich ist.

Der Deckel ( nicht dargestellt ) kann in einen Mittelbereich mit einer Öffnung versehen sein» In der Öffnung können eine Abdichtung und eine Lagerung angeordnet werden. Dieser Aufbau kann so angebracht werden, daß er an das Ende der Welle 20 anstößt, um eine Lagerobex~flache für die Drehung der VielIe zu schaffen. Die Abdichtung soll sowohl für unter Druck stehende Luft als auch für eine Waschlösung die Verbindung zwischen einer äusseren Quelle und einem oberen, hohlen Teil der Welle ermöglichen. Der hohle Teil der Welle enthält eine Vielzahl von im Abstand zueinander angebrachten , -radialen Löchern , von denen nach einer bevorzugten Ausführungsform jeweils eins auf jede Küvetteilkammer zugerichtet ist. Während des Zeitraums, in dem die Reaktion überwacht wird, kann Luft durch die Abdichtung und die Welle in die Küvettenkainmer durch ein Vakuum gezogen werden, das längs des Saugwegs von der Küvetteilkammer erzeugt wird. Die Luft hilft dabei, die Serumprobe und das Reaktionsmittel vollständig zu mi-* sehen.

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Im allgemeinen wird die von dem Computex' empfangene Information entsprechend seinem Programm gespeichert. Anschließend wird im Einklang mit dem Computerprogramm eine digitale Anzeige geliefert» Wenn die Informationswiedergewinnungs-Phase des Betriebsablaufs vollendet worden ist, dann wird jede Küvetteilkammer durch Luftdruck von der äußeren Quelle unter Druck gesetzt, so daß die Flüssigkeiten aus den Küvettenkamtnern durch saugheberartige Wirkung entleert werden. Gemäß Fig. 1 werden die Flüssigkeiten .'auf diese Weise in die Kammer Ik und durch eine Gehäuseöffnung 80 zu einer Sammelstelle für Abfall entleert. Anschließend werden die Küvettenkammern gewaschen, ausgespült, zentrifugiert und auf ähnliche l\^reise reingeblasen, um die Rotoranordnung für ein folgendes Testverfahren bereitzustellen. Es muß festgehalten werden, daß eine Saugwirkung nur mit dem Einsatz von Luft unter einem Druck beginnen wird, der größer als die Zentrifugalkräfte ist, die auf die Flüssigkeiten in der Küvettenkammer während der Drehung wirken. Der Randteil 42 dient in der Hauptsache dazu, zu verhindern, daß ein Aerosol, also Schwebestoffhaltige Gase, in der Kammer aus den Flüssigkeiten gebildet wird, die unter der Saugwirkung stehen. Solche schwebestoffhaltigen Gase können zu den inneren Bereichen der Kammer vordringen oder sich nur als Veruii» reinigung oder Kontamination in der Kammer sammeln.

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Der Küvettenrotor 36 läßt sich besonders gut in den Fig.2 und k der Ze±chrLVLngejL erkennen. Der Rotor hat die Form eines Kreisrings 100 mit einer Vielzahl von einzelne Kammern Io2 definierenden Einschnitten oder Einkerbungen, die jeweils den gleichen Abstand voneinander haben. Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsforin sind 15 Kammern vorgesehen, die jeweils radial zxi den Kammern oder Vertiefungen 50, 52 und 5^ in der Transportscheibe 3^ angeordnet «ind.

Der Küvettenrotor ist aus einem Material gebildet, das gegossen, gefräst oder nach einem anderen Verfahren zu der in den Fig. dargestellten Konfiguration gefornifc werden kann. Es können entweder Kunststoff-Materialien, oder Metalle verwendet werden. Die Auswahl eines Materials hängt von bestimmten Faktoren ab. Dazu muß das Material wenigstens eine hohe thermische Leitfähigkeit haben, um eine gute Wärmeübertragung zu zeigen; weiterhin sollte es r.eaktionsträge sein, damit es nicht mit den Flüssigkeiten reagiert, die während des Betriebs mit seiner Oberfläche in Kontakt kommen; nach einer bevorzugten Ausführungsform sollte es niedrige Oberflächenenergie-Charakteristiken zeigen, es sollte einer span -abhebenden oder maschinellen Bearbeitung unterworfen werden, um eine äusserst glatte Oberfläche zu schaffen, die das Anhaften von Chemikalien an irgendeiner

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unregelniässigen Stelle verhindert ,und es muß leicht und vollständig zu reinigen sein» Der Küvettenrotor wird nach einer bevorzugten Aus führung sform aus einem Substrat entweder aus Aluminium oder aus Messing gebildet und anschliessend mit einem dünnen Film, d.h., von itngefähr 0,12 mm ( 0,005 Zoll ), beschichtet. Der Film enthält gemeinsam stromloses Nickel und eine äussere Schicht aus Gold, das als galvanischer Übex'zug darauf aufgebracht wird.

Weiterhin können verschiedene Kunststoffe als Ersatz für die Nickel- und Gold-Schicht verwendet werden. Zu diesen Kunststoffen gehören TEFLON, Polymere von Trifluorchlorethylen ( KEL - F ) und Vinylidenfluorid-Harze ( KYNAR ). KEL - F und KYNAR sind eingetragene Warenzeichen der M.W. Kellogg Company bzw.Pennsalt Chemicals Corporation. Diese Materialien zeigen niedrige Oberflächenenergie-Charakteristiken, können einer spanabhebenden oder maschinellen Bearbeitung oder einem Poliervorgang zur Erreichung einer glatten Oberfläche unterworfen werden und können auf einem Substrat aus Aluminium oder Messing in einer Dicke von der Größenordnung von 0,12 mm ( 0,005 Zoll )abgelagert werden. Die Dicke des Kunststoffes soll so ausgewählt werden, daß die Charakteristik der Wärmeübertragung von dem Substrat auf die Flüssigkeiten in der Küvetteilkammer nicht wesentlich verringert wird.

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Die Kunststoffe müssen auch neutral für die Flüssigkeiten in den Küvettkammern sein, so daß sie immun gegen das Anhaften von Protein an den Fänden der Kaminern sind.

In dem Substrat ist eine Heizvorrichtung angeordnet. Im einzelnen ergibt sich folgender Aufbau: Das Substrat ist in der unteren Oberfläche und dem Bereich, der durch die kreisförmige Linie lo'i und die Linie I06 begrenzt vrird, auf eine Tiefe von ungefähr ο,ΐδ nira ( o,oo7o Zoll ) ausgeschnitten. Die Fläche des Ausschnittes und als Fo3.ge davon die Fläche der Heizvorrichtung ist in Bezug auf die Gesamtoberflöhe des Substrats von Bedeutung. Durch diese Beziehung wird ein hohes Verhältnis von Fläche der Heizvorrichtung zui' Oberfläche geschaffen. Die Heizvorrichtung hat die Form einer gedruckten Schaltung. Eine isolierende Schicht, wie z.B. glasgefülltes TEFLON ( KAPTON ) , einem Warennamen der Connecticut Hard Rubber Company, oder ein aequivalentes Isoliermaterial, wie'z.B. Fiberglas - Tuch mit einem Buna N - Füllmaterial ( nitrile rubber filler ) und einem Bindemittel, können beide auf der Außenseite der Heizvorrichtung angeordnet werden, Die isolierte, als Heizvorrichtung dienende gedruckte Schaltung wird mit dem Substrat durch irgendeines der vielen Klebematerialien verbunden. Die gesamte Heizeinheit kann eine Dicke in der Größenordnung von O,2o3 nun ( 0,008 Zoll ) haben.

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Ein Anschlußteil 1θ8 wird in dem Substrat gehalten, um die Widerstandsheizvorrichtung mit einer Energiequelle elektrisch zu verbinden, Weiterhin wird in dein Substrat ein die Temperatur abfühlendes Element wie z.B. ein Thermistor Ho gehalten. Ein Anschlußteil 112 haltert den Thermistor in einer Öffnung in dem Substrat. Der Thermistor erstreckt sich in Richtung auf eine einzige der vielen Kammern 102. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Thermistor relativ nahe sowohl, bei der Viand der Kammer als auch bei der Widerstandsheizvorrichtung angeordnet, so daß die Messfühlersonde schnell eine niedrige Temperatur der Kammerflüssigkeiten feststellen wird, um eine aiitomatische Erhöhung der Ausgangsleistung der Heizvorrichtung zu veranlassen. Auf ähnliche Weise wird der Messfühler schnell auf/eine hohe Temperatur an den Kammerflüssigkeiten reagieren, um automatisch die Ausgangsleistung der Heizvorrichtung zu steuern oder anzuhalten. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Messfühler ungefähr 3,l8 mm ( 0,125 Zoll ) sowohl von der Widerstandsheizvorrichtung als auch von der Wand der Kammern 102 angeordnet werden.

Ein Heber oder Siphon Il4 ist in der oberen Oberfläche ausgebildet, so daß eine Verbindung zwischen dem äusseren Umfang des Kreisrings und jeder der verschiedenen Kammern 102 durch einen im allgemeinen S-förmigen Weg hergestellt

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ist. Die Tiefe des Weges wird ungefähr 1,02 + 0,05 mm ( 0,040 + 0,002 Zoll ) betragen. Wie oben erläutert wurde, reicht die auf die Reaktionsteilnehmcr in"den Kammern aufgrund der Drehung des Rotors ausgeübte Zentrifugalkraft nicht aus, um die Reaktionsteilnehnier zi¹. veranlassen, die Kammer aufgrund der Siphon-Wirkung zu verlassen. Wie bereits erläutert wurde, v.^Tird unter Druck stehende Luft von einer äusseren Qtielle in die verschiedenen Kammern geführt, um die Entleerung der Kammer von den miteinander reagierenden Flüssigkeiten und anschliessend von den eingeführten Waschlösungen durchzuführen. Die hinteren Wände der Kammern sind bei Il6 ( Fig. k ) geneigt, um bei der Bewegung der Flüssigkeiten in Richtung auf den Eingang für den jeweiligen "eber zu helfen.

Weiterhin läßt sich aus Fig. k erkennen, daß die Oberfläche des Kreisrings in dem Raum zwischen den aufeinanderfolgenden Kammern an den Stellen 118 und 120 ausgeschnitten ist. Die Aussparung über der gesamtenoberenoberflache kanu ungefähr 0,635 mm ( 0,025 Zoll ) betragen. Die ausgesparten Oberflächenbereiche

dienen dazu, das Gesamtgewicht des Kreisrings

des Küvettenrotors zu reduzieren.

Fig· 3 stellt die verschiedenen, die Rotoranordnung l6 bil denden Komponententeile dar. Diesbezüglich zeigt 3 die Transportscheibe 3^li und den sie umgebenden

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ORDINAL INSPECTED

Küvettenrotor 36. Ein Dichtungsteil 13O wird aufeinander entgegengesetzten Seiten des Küvettenrotors gehalten. Eine Dichtungsscheibe liefert eine Halteoberfläche für das obere,ringförmige, optische Teil 58 und dient zusammen mit diesem Teil als obere Abdichtung für jede Kammer Io2. Die Dichtungsscheibe kann mit dem optischen Teil durch irgendwe3.che geeigneten Mittel, wie z.B. einem bei Raumtemperatur vulkanisierenden Medium aus Buna N oder Sililconkautschule ( nitrile oder silicone rubber ) verbunden werden. Die zweite Dichtungsscheibe erfüllt eine ähnliche Funktion, wenn sie zwischen der unteren Oberfläche und dem unteren optischen Teil angeordnet wird; sie kann auf ähnlichelWeise mit dem optischen Teil verbunden werden. Der ausgesparte - -

Bereich der Oberfläche schafft zusammen mit der Wand in der Nähe des Wegs des Siphons oder Hebers einen vorstehenden Rand, auf dem die Dichtungsscheibe I30 angeordnet wird. Der vorstehende Rand verstärkt die zwischen dem Substrat und dem oberen optischen Teil erreichte Abdichtung.

Jeder Dichtungsteil 13O ist so gestaltet, daß er einen konstanten, radialen Umfang und eine innere Kontur schafft, die den Umriss der jede Kammer und zwischen Kammern begrenzenden Wand - .Kopiert. Der Durchmesser des Dichtungsteils wird gleich dem äusseren Durchmesser der ringförmigen,

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optischen Teile sein. Der Durchmesser ist etwas größer

als der Durchmesser der äusseren Wand der "ausgesparten Bereiche 18.

Ein zweites Paar von Dxchtungsscheiben 132, die beide Ringform und einen äusseren Durchmesser haben, der gleich dem äusseren Durchmesser der Dichtungsteile 130 ist, ist auf den anderen Seiten der optischen Teile 58 angeordnet. Jede Dichtungsscheibe enthält eine Vielzahl von Öffnungen, die im gleichen Abstand zueinander angebracht sind, so daß der Lichtdurchgang längs des Weges 68 möglich ist. Der innere Durchmesser der Dichtungsschexben 132 ist im allgemeinen gleich dem inneren Durchmesser sowohl der optischen Teile oder Beobachtungsfenster 58 als auch des Küvettenrotors 36 . Die Dichtungsschexben 130 und 132 können beide z.B. aus Neopren,Buna-N oder Silikonkautschuk gebildet werden.Wie bereits oben festgestellt wurde, erfordert der Gesamtzyklus der Vorrichtung eine Wasch- und eine Reinigungsstufe sowie eine Stufe, in deren Verlauf die Flüssigkeiten in der Küvetteilkammer ausgespült werden. Bei diesen Arbeitsgängen wird unter Druck stehende Luft verwendet, um jede Kammer unter Überdruck zu setzen. Die dabei entstehenden Kräfte bewirken eine besondere Beanspruchung der Bereiche der Flüssigdichtung, wie z.B. der Abdichtung zwischen dem Küvettenrotor und dem optischen Fenster. Deshalb muß die Abdichtung flüssigkeits-und

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luftdicht wenigstens bis zu einer Beanspruchung von 1,75 kp/cm ( 25 pounds per square inch ) sein. Das Material der Abdichtung muß auch widerstandsfähig gegen-■ über Kaltfluss und irgendwelchen Deformationen sein, wie sie als Ergebnis der konstanten, zyklischen Teinperaturführung auftreten. Weiterhin müssen sie widerstandsfähig gegenüber chemischen Wechselwirkungen mit den Komponenten des Blutes sein.

Ein die Form der Dichtungsscheibe 132 kopierendes ringförmiges Folienelement 136 ist zwischen der Dichtungsscheibe und dem oberen optischen Teil angeordnet. Die Folie kann aus Gold oder Aluminium gebildet werden und dient dazu, sich aufbauende statische elektrische Ladungen auf dem optischen Element zu zerstreuen. Wegen der sich bei den rotierenden Teilen ergebenden Reibung kann sich diese Ladung entwickeln und auf der oberen, optischen Oberfläche ansammeln. Wegen des kontinuierlichen Flüssigkontaktes damit können sich keine statischen, elektrischen Ladungen auf der unteren optischen Oberfläche aufbauen. Die Folie ist durch irgendwelche besonderen Mittel ( nicht dargestellt ) geerdet, wodurch das elektrische Potential im wesentlichen abgeleitet %vird, um das Anhaften von über die Luft herangebrachten Partikeln auf der optischen Oberfläche an der Küvettenkammer zu verhindern.

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Der oben erläuterte Atifbau wird zusammen schichtenweise angeordnet und zwischen der unteren Rotorplatte 38 und der oberen, ringförmigen Platte kO befestigt. Dazu weist der Küvettenrotor eine Vielzahl von Löchern l40 auf, durch die die Befestxgungsschrauben kk geführt und aufgenommen werden.

In Pig. 7 ist ein typischer Schaltkreis dargestellt. Der Schaltkreis bildet durch die Anschlußteile 108 und 112 in Reihe eine Verbindung der Widerstandsheizvorrichtung 122 und des Thermistors 110. Eine elektromechanische Schleifring-Anordnung ( nicht dargestellt ) kann dazu verwendet werden, um die Reihenkomponenten an eine elektrische Energiequelle zu koppeln.

Beim Betrieb werden vor dem Beginn irgendeines Betriebsprogramms genau abgemessene Volumen des Serums eines Patienten und eines Reaktionsmittels ausgeteilt oder auf eine andere Weise in den Vertiefungen oder Kammern 50 und 52 angeordnet. Auf Wunsch kann ein zusätzliches Reaktionsmittel ausgeteilt oder in der Vertiefung oder Kammer 5^ angeordnet werden. Mit Beginn der Drehung des Rotors, der eine Geschwindigkeit von bis zu dreitausend Umdrehungen pro Minute erreichen kann, werden das Serum und das bzw. die Reagenzien, schnell im allgemeinen nach außen

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in Richtung auf die Vertiefung 5^ und die Öffnung 56 in Bewegung gesetzt, wobei sie vor dem Eintritt in die Küvettenkaminer , die mit den optischem Teilen eine optische Zelle bildet, in gewissem Grade gemischt worden. Da die Mischung der Flüssigkeiten begonnen hat und anscbliessend in der optischen Zelle weiter abläuft, müssen die Flüssigkeiten schnell auf die optimale Temperatur gebracht werden« Das ist ex"läutert worden. Die Vorrichtung kann demgemäß mit einer hohen Geschwindigkeit über ungefähr 96 Sekunden betrieben werden, Tjobei während dieser Zeit Extinktionsanzeigen ausgedruckt und dargestellt werden, was alle drei Sekunden erfolgen kann; andererseits kann aber auch entsprechend mit

einer geringeren Geschwindigkeit über ungefähr 8 Minuten gearbeitet werden, wobei während dieser Zeit Extiiiktionsanzeigen alle I5 Sekunden ausgedruckt raid dargeste3.lt werden. Das von einer Quelle kommende Licht wird längs der Achse der optischen Zelle in Richtung auf die auf Licht ansprechende Vorrichtung reflektiert« Die optischen Elemente haben eine Dicke von ungefähr jj mm; si^e bestehen aus einem Material, das praktisch das gesamte von der Quelle abgegebene Licht zu der optischen. Zelle und das die optische Zelle passierende Licht zu der auf Licht ansprechenden VorrichtungfaurchlässtoÄuf diese Weise wird der Grad der Extinktion, oder der Lirfitdurchlassgrad durch die Flüssigkeit in der optischen Zelle be-

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stimmt. Nachdem die Reaktion vollständig abgelaufen ist, werden die Flüssigkeiten durch die Einführung von unter Druck stehender Luft aus den optischen Zellen herausgetrieben. Zur Vorbereitung einer darauf folgenden Untersuchung kann ein Wasch- und Reinigungszyklus verwendet werden. Dazu werden sowohl Waschlösung als auch anschliessend unter Druck stehende Luft in die Kammer der Transportscheibe eingeführt, um diese durch Drehung zu reinigen, anschliessend die Flüssigkeiten auszutreiben und die Kammerwände zu trocknen.

Die Erfindung schafft also eine Rotoranordnung für eine Vorrichtung, die zur Überwachung einer chemischen Reaktion ausgebildet und dazu geeignet ist, das Vorliegen bestimmter Substanzen in jeder einer Vielzahl von diskreten Proben festzustellen und sie zu identifizieren. Die Anordnung weist eine Transportscheibe auf, um einzeln die verschiedenen Bestandteile einer oder mehrerer unabhängiger Reaktionen zu speichern, sowie einen konzentrisch dazu angeordneten Küvettenrotor.

Der Küvettenrotor bildeijdn dem Weg des Lichtes zu einer auf Licht ansprechenden Vorrichtung eine Vielzahl von Kammern zur Aufnahme der Bestandteile einerneden Reaktion,

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In dem Küvettenrotor sind Einrichtungen vorgesehen, um die Bestandteile auf die optimale Temperatur aufzuheizen und während der Reaktionszeit die Bestandteile auf dieser Temperatur zu halten.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche*

J~\ die

\V 1.JVorrichtung für/klinische Analyse, um den Lichtdurchlassgrad durch ein wenigstens zwei miteinander reagierende Bestandteile enthaltendes Eeaktionsprodukt zu überwachen, gekennze ichnet durch eine Transportseheibe (34), mit einer Anzahl von in Urafangsrichtung mit Abstand zueinander angeordneten Gruppierungen von wenigstens zwei Vertiefungen (50,52), die in der oberen Oberfläche der Transportscheibe (34) ausgebildet sind, wobei die Vertiefungen jeder Gruppierung radialen Abstand voneinander, bezogen auf die Achse der Transportscheibe , haben, und wobei die Gruppierungen von Vertiefungen (50,52) voneinander getrennt sind; durch ein eine Vielzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angebrachten Schlitzen (102) enthaltendes ringförmiges Element (36), das konzentrisch zu der Transportscheibe (34) angeordnet und mit dieser drehfest verbunden ist; durch eine radial in der Nähe der äussersten Vertiefung (54) einer jeden Guppierung in der Wand der Transportscheibe (34) ausgebildete Öffnung (56); durch ein Paar von dem ringförmigen Element ^ (36) gehaltene optische Elemente (58), die im wesentlichen jeden der Schlitze (102) umgeben und zwischen sich eine optische Zelle bilden; durch einen Drehantrieb (20) für die Transportscheibe (34), so dass Material aus den ■ - Vertiefungen unter Zentrifugalwirkung durch die Öffnung (56) in die optische Zelle und in den Weg (68) des lichtes zu einer für Licht empfindlichen Vorrichtung (60) bewegbar ist, deren Ausgangssignal proportional zum Liehtdurchlass durch dieses Material ist; und durch eine von dem ringförmigen Element (36) getragene Heizeinrichtug zur Aufreizung des Materials in der optischen Zelle auf eine vorbestimmte Temperatur,

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element (36) wärmeleitend

. ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnet,

- daß die Heizeinrichtung eine elektrische Widerstandsanordnung (122) aufweist, die einen flachen Aufbau hat und in einem größeren Teil der unteren Oberfläche des ringförmigen Elementes (36) angeordnet ist, und daß die Heizeinrichtung mit einer Quelle für elektrische Energie verbindbar ist«,
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element (36) über einen größeren Teil seiner unteren Oberfläche einen ausgenommenen Bereich (104-106) enthält, in dem die Heizeinrichtung aufgenommen und gehalten ist, und daß die Heizeinrichtung mit einer Quelle für elektrische Energie verbindbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4_S dadurch gekennzei c h net,

daß die Heizeinrichtung eine elektrische Widerstandsanordnung (122) von Filmdicke aufweist, die vollständig in dem ausgenommenen Bereich unterbringbar ist.

- Anspruch 6 40 9 8 32/0968
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, ³

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Widerstandsanordnung (122) in dem ausgenommenen Bereich vollständig von einer Schicht aus isolierendem Material bedeckt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (110) in dem ringförmigen Element (36) in der Nähe sowohl der Wand der optischen Zelle als auch der Heizeinrichtung (122) angeordnet ist,
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (110) einen Thermistor und Mittel aufweist, die den Thermistor mit Einrichtungen zur Überwachung der Temperatur der Bestandteile in der optischen Zelle verbinden, um dadurch die Heizeinrichtung gemäß der Temperatur der Bestandteile zu steuern.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch eine gas- und flüssigkeitsfeste Abdichtung (130) zwischen den optischen Elementen (58) und dem ringförmigen Element (36).
10'. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Abbau sich aufbauender stati scher elektrischer Ladungen vorgesehen ist, die von

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einem der optischen Elemente (58) auf der von der optischen Zelle abgewandten Seite getragen wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abbau der elektrischen Ladungen ringförmige Metällelemente (136) und mit diesen verbundene Mittel zum Erden sich aufbauender statischer elektrischer Ladungen enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Metall elemente (136) von dem optischen Element (58) auf der Seite des ringförmigen Elementes (36) getragen werden, die der Heizeinrichtung entgegengesetzt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element (36) einen Materialüberzug über wenigstens die Oberfläche in der optischen Zelle aufweist.
14« Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke von ungefähr 0,12 mm ~(0,005 Zoll) hat.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet daß der überzug wenigstens teilweise jius Gold besteht.

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