DE102004015946B3 - Raman spectrum generation and detection unit couples light into medium through optical fibre without focussing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums eines zu untersuchenden Mediums mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 15 genannten Merkmalen.The The invention relates to an apparatus and a method for producing and for detecting a Raman spectrum of a to be examined Medium having the features mentioned in the preambles of claims 1 and 15.
Die
Raman-Spektroskopie hat sich durch die Einführung von Lasern als lichtstarken
Anregungsquellen zu einer etablierten Methode sowohl in der Analytik
als auch in der Prozessüberwachung
entwickelt. Die Raman-Spektroskopie wird beispielsweise zur Analyse
von organischen Verbindungen oder von oxidischen Feststoffen herangezogen.
Im Rahmen der Prozessüberwachung
können
mit dieser Methode Stoffströme
charakterisiert und, falls gewünscht, auf
der Basis der Messergebnisse gesteuert werden. Hierbei kommen in
vielen Anwendungsfällen
Sonden zum Einsatz, welche mittels optischer Fasern sowohl mit einer
Lichtquelle als auch mit einer Detektionseinheit zur Erfassung des
Raman-Spektrums, in der Regel einem Spektrometer, gekoppelt werden.
Derartige Raman-Sonden werden beispielsweise im Bereich der Materialwissenschaften,
der chemischen Verfahrenstechnik, der Pharmazie und der Umwelttechnik
verwendet. Die Raman-Messsonden werden in der Regel so optimiert,
dass hohe analytische Anforderungen z. B. hinsichtlich der spektralen
Auflösung
und der Nachweisgrenzen erfüllt
werden. Dabei sind ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis sowie die weitgehende
Eliminierung von Untergrundsignalen wünschenswert. Zu diesem Zweck
ist unter anderem aus US 2003/0147593 und
Aus WO 2004/051242 A1 ist ein Instrument zur Raman-Spektroskopie eines Gewebes bekannt, in der eine optische Faser 120 über geeignete Optiken („coupling optics" 110) beispielsweise über eine Linse mit der Lichtquelle 100 verbunden ist. Hierdurch weist die Vorrichtung eine Vielzahl von kostenintensiven Komponenten auf, die für eine entsprechende Funktion hinreichend justiert sein müssen.Out WO 2004/051242 A1 discloses an instrument for Raman spectroscopy of a tissue, in the one optical fiber 120 via suitable optics ("coupling optics "110), for example via a lens is connected to the light source 100. As a result, the device a variety of costly components for a corresponding Function must be adjusted sufficiently.
Aus US 2003/0049858 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Zusätzen in einem Metallisierungsbad unter Ausnutzung der Raman-Spektroskopie bekannt, bei der eine Sonde 120 stets fokussierende Elemente aufweisen muss, da die Sonde 120 zur Fokussierung in die Probe 124 verwendet wird. Dadurch geht auch diese Vorrichtung mit einer Vielzahl von kostenintensiven Komponenten einher, die für eine ent sprechende Funktion hinreichend ebenfalls justiert sein müssen.Out US 2003/0049858 A1 is a device for determining the concentration of additives in a metallization bath using Raman spectroscopy known, in which a probe 120 must always have focusing elements, because the probe 120 is used to focus into the sample 124. This also makes this device with a variety of cost-intensive components accompanied, for an ent speaking function also be adjusted sufficiently have to.
Aus WO 2004/031746 A1 ist ein spektrales Messgerät unter Verwendung von akusto-optisch einstellbaren Filtern (acusto-optic tunable filters) bekannt, bei dem zur Anregung einer Probe stets breitbandiges Licht verwendet werden muss, da sonst unter Ausnutzung des akusto-optischen Filters kein Spektrum erhalten werden könnte.Out WO 2004/031746 A1 is a spectral measuring device using acousto-optically adjustable Filter (acusto-optic tunable filters), in which for excitation of a sample always broadband light must be used, otherwise under utilization the acousto-optic filter no spectrum could be obtained.
Sollen die Raman-Sonden für Überwachungs- und Kontrollfunktionen oder zur Stoffbestimmung ohne besondere analytische Anforderungen eingesetzt werden (Einsatz als low-cost-Sensoren), so besitzen die vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums einige Nachteile: Sie sind kompliziert aufgebaut, was zu relativ hohen Produktions- und Beschaffungskosten führt. Durch die standardmäßige Verwendung fokussierender optischer Komponenten wird die thermische Belastung der zu untersuchenden Medien stark und oft unzulässig erhöht. Deshalb sind die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik insbesondere zur Prozessüberwachung in der Eigenschaft als Sensoren mit den typischen Anwendungskriterien (Genauigkeitsanforderungen, Kosten) nicht vorteilhaft einsetzbar.Should the Raman probes for monitoring and control functions or for substance determination without any special analytical Requirements are used (use as low-cost sensors), so own the aforementioned devices and methods for the production and the Detection of a Raman spectrum some disadvantages: they are complicated, which is too relative high production and procurement costs. By default use Focusing optical components is the thermal load of the media to be examined greatly and often inadmissibly increased. That's why the devices are according to the prior art, in particular for process monitoring in the property as sensors with the typical application criteria (Accuracy requirements, costs) can not be used advantageously.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung (Raman-Sonde) und ein Verfahren zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums anzugeben, welche bei vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich der stofflichen Analytik (Zahl der Komponenten, Konzentrationen, erforderliche Nachweisgrenzen) eine kostengünstigere Erzeugung und Detektion eines Raman-Spektrums als die bekannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums anzugeben, welche gegen über Dejustagen unanfälliger als die bekannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist. Weiterhin soll eine zu starke thermische Belastung der zu untersuchenden Substanz (Medium) vermieden werden.It is therefore an object of the present invention to provide a device (Raman probe) and a method for generating and detecting a Raman spectrum, which at given requirements in terms of material analysis (number of components, concentrations, detection limits required) a more cost-effective production and detection of a Raman spectrum as the known prior art devices. Another task of the inventor tion is to provide a device for generating and detecting a Raman spectrum, which is less susceptible to misalignment than the known devices of the prior art. Furthermore, too high a thermal load of the substance to be examined (medium) should be avoided.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz (Medium) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 (Vorrichtungsanspruch) und des Anspruchs 15 (Verfahrensanspruch) im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst.These Tasks are performed according to the invention a device and by a method for generating and for detecting a Raman spectrum of a substance to be examined (medium) with the features of claim 1 (device claim) and the claim 15 (method claim) in conjunction with the features in the preamble solved.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz weist eine erste optische Faser auf, wobei ein erstes Ende der ersten optischen Faser über ein Mittel zum Einkoppeln von Licht mit einer Lichtquelle und über ein Mittel zum Auskoppeln von Licht mit einer Detektionseinheit zur Detektion eines Raman-Spektrums verbunden ist, wobei das zweite Ende der optischen Faser keine zusätzlichen Komponenten zur Fokussierung des Lichts aufweist und das Mittel zum Einkoppeln des Anregungslichtes in die erste optische Faser einen optischen Koppler aufweist, welcher über eine zweite optische Faser mit der Lichtquelle verbunden ist, wobei die Lichtquelle ein Laser ist.The inventive device for generating and detecting a Raman spectrum of a to be investigated Substance comprises a first optical fiber, wherein a first end the first optical fiber over a means for coupling light with a light source and via Means for coupling out light with a detection unit for detection connected to a Raman spectrum, the second end of the optical Fiber no additional Comprising components for focusing the light and the means for coupling the excitation light into the first optical fiber has an optical coupler, which via a second optical fiber is connected to the light source, wherein the light source is a laser is.
Die erste optische Faser besitzt vorzugsweise außer im Bereich ihres kopplerabgewandten, zweiten Endes eine lichtundurchlässige Umhüllung. Vorzugsweise weisen die optischen Fasern eine geringe Dämpfung insbesondere im Infrarot- und sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, die Lichteinkopplung sowie die Auskopplung des rückgestreuten Lichts über ein und dieselbe optische Fa ser zu realisieren. Alternativ ist es jedoch möglich, für Lichteinkopplung und Auskopplung verschiedene optische Fasern zu verwenden, wodurch der erzielbare Kostenvorteil allerdings reduziert würde. Die Sondenspitze (zweites Ende der ersten optischen Faser) verfügt über keine zusätzlichen optischen Komponenten zur Fokussierung des Lichts. Dies bedeutet, dass die Lichteinkopplung sowie die Lichtauskopplung direkt über das freigelegte, zweite Ende der ersten optischen Faser (insbesondere über die Stirnfläche) realisiert werden. Die optischen Fasern können jeweils mit Hilfe von konventionellen optischen Steckverbindungen verlängert werden, ohne dass die grundsätzliche Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz bzw. eines Prozessmediums wird das zweite Ende der ersten optischen Faser (Sondenspitze) bevorzugt unmittelbar in der zu untersuchenden Substanz, das heißt im Volumen des zu untersuchenden Materials, angeordnet. Prinzipiell ist jedoch auch eine Anordnung nur im Bereich des zu untersuchenden Mediums möglich, wenn das Medium ausreichend beleuchtet wird und das Rückstreulicht ausreichend in die Sensorfaser einkoppelt. Als zu untersuchende Substanzen kommen insbesondere pulverförmige Feststoffe, jedoch auch andere Festkörper sowie Flüssigkeiten und Gase in Betracht. Besonders einfach lassen sich Stoffe mit scharfen Raman-Banden wie einige organische Verbindungen oder Metalloxide (Titanoxid oder Molybdänoxid) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektieren.The The first optical fiber preferably has, except in the region of its kopplerabgewandten, second Finally an opaque Serving. Preferably the optical fibers have a low attenuation, especially in the infrared and visible range of the electromagnetic spectrum. In a particularly preferred embodiment The invention provides for the light coupling and the Extraction of the backscattered light via a and to realize the same optical fiber. Alternatively, it is possible, for light coupling and coupling different optical fibers to use, thereby however, the achievable cost advantage would be reduced. The Probe tip (second end of the first optical fiber) has none additional optical components for focusing the light. This means, that the light coupling and the light extraction directly over the exposed, second end of the first optical fiber (in particular over the Face) will be realized. The optical fibers can each with the help of conventional optical connectors are extended without the fundamental operability impaired becomes. For generating and detecting a Raman spectrum of a the substance to be examined or a process medium becomes the second End of the first optical fiber (probe tip) preferably immediately in the substance to be examined, that is to say in the volume of the substance to be examined Materials, arranged. In principle, however, is also an arrangement only possible in the area of the medium to be examined, if the medium is sufficient is lit and the backscatter light sufficiently coupled into the sensor fiber. As to be examined Substances are especially powdered solids, but also other solids as well as liquids and gases. It is particularly easy to mix fabrics with sharp ones Raman bands like some organic compounds or metal oxides (Titanium oxide or molybdenum oxide) with the device according to the invention detect.
Die Ausbildung der Sensorspitze kann unterschiedlich erfolgen, es muss jedoch zumindest gewährleistet sein, dass die Stirnfläche der ersten optischen Faser freigelegt ist. Vorzugsweise über die Stirnfläche der ersten optischen Faser wird das Anregungslicht diffus ausgekoppelt. Es tritt dadurch mit der zu untersuchenden Substanz (Medium) in Wechselwirkung, ohne dass dies zu einer signifikanten Erwärmung führt.The Training the sensor tip can be done differently, it must but at least guaranteed be that face the first optical fiber is exposed. Preferably over the end face of first optical fiber, the excitation light is diffusely decoupled. It enters thereby with the substance to be examined (medium) Interaction without causing significant warming.
Das von der zu untersuchenden Substanz (Medium) rückgestreute Licht wird wiederum über das offene Ende der ersten optischen Faser (Sensorspitze) eingekoppelt und über den optischen Koppler zu einer Detektionseinheit zur Erfassung des Raman-Spektrums geleitet.The The backscattered light from the substance to be examined (in turn) is transmitted via the open end of the first optical fiber (sensor tip) coupled and over the optical coupler to a detection unit for detecting the Raman spectrum directed.
Grundsätzlich wäre zu erwarten, dass eine Auskopplung des Anregungslichts in der beschriebenen Weise sowie eine Einkopplung des rückgestreuten Lichts von der zu untersuchenden Substanz über das freigelegte Ende der optischen Faser ohne optische Fokussierung eine zu geringe Lichtausbeute aufweisen würde, um in geeigneter Weise für eine Detektion des Raman-Spektrums des zu untersuchenden Mediums verwendet zu werden. Schließlich wäre weiterhin zu erwarten, dass lediglich bei einer hohen Lichtintensität des Anregungslichts in der zu untersuchenden Substanz eine ausreichende Rückstreulichtausbeute erzielt werden könnte, wobei eine hohe Lichtstärke zu einem hohen Eintrag von thermischer Energie in die zu untersuchende Substanz führen würde, was meist nur durch ein Bewegen oder ein Rotieren der Probe unterdrückt werden könnte. Dies ist jedoch insbesondere bei der Prozessüberwachung nicht möglich.Basically, one would expect that is a decoupling of the excitation light in the manner described and a coupling of the backscattered Light from the substance to be examined on the exposed end of the optical fiber without optical focusing have too low a luminous efficacy would, to be suitable for a detection of the Raman spectrum to be used of the medium to be examined. Finally, it would continue to expect that only at a high light intensity of the excitation light in the substance to be examined sufficient backscattering yield could be achieved being a high light intensity to a high level of thermal energy in the investigated Lead substance would, which are usually only suppressed by moving or rotating the sample could. This However, it is not possible, especially in process monitoring.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass die Auskopplung von Anregungslicht sowie die Einkopplung von Rückstreulicht über eine freigelegte optische Faser ausreicht, um ein auswertbares Raman-Spektrum für eine Vielzahl von zu überwachenden Prozessen, beispielsweise katalytischen Vorgängen an Metalloxiden und die damit unter Umständen einhergehenden Veränderungen der Katalysatorstruktur, zu erzeugen und zu detektieren. Eine Ursache für die unerwartet hohe Rückstreulichtausbeute ist möglicherweise die Tatsache, dass der Anregungsbereich durch die Reflexionen innerhalb der Probe (der zu untersuchenden Substanz) vergrößert wird. Eine Reflexion des Rückstreulichts in pulverförmigen Proben kann darüber hinaus zu einer Verstärkung der detektierbaren Rückstreuausbeute führen. Vorteilhafterweise führt der diffuse Lichteintrag in die zu untersuchende Substanz durch Auskopplung des Anregungslichts von der Lichtquelle über die vorzugsweise kreisförmige Stirnfläche der Sensorspitze zu einer geringen thermischen Belastung und beeinflusst den zu untersuchenden Prozess deshalb praktisch nicht. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil dar, da insbesondere bei der Prozessüberwachung alternative Verfahren zur Verminderung der thermischen Belastung praktisch nicht zur Verfügung stehen. Hierdurch ist der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums gegenüber den bekannten Vorrichtungen deutlich erweitert. Weitere Vorteile bestehen in dem robusten Aufbau sowie in den geringen Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Weiterhin vorteilhaft ist, dass dadurch, dass der Anregungslichtweg mit dem Rückstreulichtweg im Bereich der Sensorfaser übereinstimmt, die Vorrichtung gegenüber einer Dejustage relativ unempfindlich ist. Zur Auswertung des Raman-Spektrums der zu untersuchenden Substanz muss das durch die Rückstreuung in der optischen Faser auftretende Untergrundspektrum vorteilhafterweise eliminiert werden, was durch Subtraktion eines Referenzspektrums (ohne zu untersuchende Substanz) sehr präzise gelingt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Einkoppeln von mittels eines Lasers erzeugter elektromagnetischer Strahlung über eine erste optische Faser in das zu untersuchende Medium ohne Verwendung zusätzlicher Komponenten zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung, wobei die elektromagnetische Strahlung vom Laser über eine zweite optische Faser und einen optischen Koppler in die erste optische Faser eingekoppelt wird,
- – Einkoppeln der vom zu untersuchenden Medium rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung in die erste optische Faser und
- – Detektion des Spektrums der vom zu untersuchenden Medium rückgestreuten, in die erste Faser eingekoppelten, elektromagnetischen Strahlung.
- - Coupling of generated by a laser electromagnetic radiation via a first optical fiber in the medium to be examined without using additional components for focusing the electromagnetic radiation, wherein the electromagnetic radiation from the laser via a second optical fiber and an optical coupler coupled into the first optical fiber becomes,
- - Coupling the backscattered from the medium to be examined electromagnetic radiation in the first optical fiber and
- - Detection of the spectrum of backscattered from the medium to be examined, coupled into the first fiber, electromagnetic radiation.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Detektionseinheit mit einer Auswerteeinheit verbunden.In a preferred embodiment of the inventive method the detection unit is connected to an evaluation unit.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein Raman-Spektrum bestimmt, wobei die Sensorspitze der optischen Sensorfaser (der ersten optischen Faser) in einem Bereich ohne Medium mit messbarem Raman-Spektrum angeordnet wird (Referenzmessung). Das zusätzlich gemessene Raman-Spektrum wird dann von denjenigen Spektren subtrahiert, welche bei Anordnung der Sensorspitze der optischen Sensorfaser im Bereich der zu untersuchenden Substanz (eigentliche Messung) detektiert wurden (Untergrundkorrektur).In a further, preferred embodiment the method according to the invention will be added a Raman spectrum determined, the sensor tip of the optical Sensor fiber (the first optical fiber) in a region without medium with measurable Raman spectrum is arranged (reference measurement). The addition measured Raman spectrum is then subtracted from those spectra which in the arrangement of the sensor tip of the optical sensor fiber in the area of the substance to be examined (actual measurement) were detected (background correction).
Dieser zusätzliche Schritt zur Ermittlung eines Referenzspektrums, welcher zur Eliminierung des vor allem durch die Eigenstreuung der optischen Faser bedingten Untergrundes notwendig ist, kann zwar bei vielen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik entfallen, jedoch bedeutet dieser Schritt bei einer Prozessüberwachung nur einen einmaligen, vor der Prozessüberwachung durchzuführenden Messvorgang, während bei der Prozessüberwachung nur eine ständige Messung der Raman-Spektren des zu untersuchenden Mediums erfolgen muss. Insofern ist der hierdurch erforderliche Mehraufwand im Verhältnis zum Umfang der Gesamtmessungen vernachlässigbar gering. Aufgrund der geringen Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des damit erzielten Kostenvorteils ist ein Einsatz als low-cost-Sensor trotz der geringfügig aufwändigeren Auswerteprozedur (Berücksichtigung der Referenzmes sung) gegenüber Systemen nach dem Stand der Technik meist vorteilhaft.This additional Step for determining a reference spectrum, which leads to the elimination of the especially due to the inherent dispersion of the optical fiber Underground is necessary, although in many devices after The prior art omitted, but this step means in a process monitoring only a single measuring procedure to be performed before the process control, while in process monitoring only a permanent one Measurement of the Raman spectra must be made of the medium to be examined. In that sense, this is the reason required additional expenditure in relation to the scope of the total measurements negligible low. Due to the low manufacturing cost of the device according to the invention and the resulting cost advantage is a use as a low-cost sensor despite the slight more complex Evaluation procedure (consideration the reference measurement) Systems of the prior art are usually advantageous.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante besteht die Umhüllung der optischen Fasern aus einem lichtundurchlässigen Material. Die optische Faser ist vorzugsweise eine Glasfaser, typischerweise eine Polyimid-beschichtete Quarzfaser mit einem Durchmesser von 50 bis 500 μm. Das freigelegte Ende der Sensorfaser (Sensorspitze) weist vorzugsweise eine Länge von etwa 1 mm auf.In a preferred embodiment exists the serving the optical fibers of an opaque material. The optical Fiber is preferably a glass fiber, typically a polyimide-coated one Quartz fiber with a diameter of 50 to 500 μm. The uncovered end of the Sensor fiber (sensor tip) preferably has a length of about 1 mm.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante sind mittels optischer Kopplungsstecker die Lichtquelle bzw. die Detektionseinheit mit dem optischen Koppler sowie der optische Koppler mit der Sensorfaser verbunden. Der optische Koppler ist vorzugsweise ein bidirektionaler Y-Koppler.In a further, preferred embodiment are by means of optical coupling plug, the light source or the Detection unit with the optical coupler and the optical coupler connected to the sensor fiber. The optical coupler is preferably a bidirectional Y-coupler.
Als Detektionseinheit zur Detektion des Raman-Spektrums werden vorzugsweise ein dispersives oder ein Fourier-Transform-Raman-Spektrometer mit integriertem Filter zur Reduzierung der Intensität der Rayleigh-Linie verwendet.When Detection units for detecting the Raman spectrum are preferably a dispersive or a Fourier transform Raman spectrometer with integrated Filter used to reduce the intensity of the Rayleigh line.
Neben der stofflichen Analytik und Quantifizierung, insbesondere als low-cost-Sensor bei Prozessanwendungen, können die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem auch zur Temperaturbestimmung der zu untersuchenden Substanz bzw. des zu untersuchenden Mediums genutzt werden. Hierfür kann beispielsweise das Verhältnis von Anti-Stokes- und Stokes-Raman-Banden genutzt werden.In addition to the material analysis and quantification, in particular as a low-cost sensor in process applications, the device according to the invention or the method according to the invention can, inter alia, also for determining the temperature of the be used for investigating substance or the medium to be examined. For example, the ratio of anti-Stokes and Stokes Raman bands can be used for this purpose.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante ist es vorgesehen, auf das freigelegte Ende der optischen Faser (Sensorspitze), bevorzugt auf die Stirnfläche der optischen Faser, Metallcluster aufzubringen. Deren Größe und Form sind so zu wählen, dass die Intensität des Raman-Spektrums der um gebenden, vorzugsweise flüssigen, Substanz deutlich erhöht wird (oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie – Surface Enhanced Raman Spectroscopy [SERS]). In einer bevorzugten Ausführungsvariante bestehen die Metallcluster aus Silber. Diese Modifikation der Sensorspitze erlaubt es auch, die detektierten Substanzen hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit den Metallclustern zu charakterisieren und daraus zusätzliche Informationen zur Bestimmung der Substanzen abzuleiten.In a further, preferred embodiment it is provided on the exposed end of the optical fiber (Sensor tip), preferably on the end face of the optical fiber, metal cluster applied. Their size and shape are to be chosen that the intensity the Raman spectrum of the surrounding, preferably liquid, Substance significantly increased (Surface Enhanced Raman Spectroscopy - Surface Enhanced Raman Spectroscopy [SERS]). In a preferred embodiment The metal clusters are made of silver. This modification of the sensor tip it also allows the detected substances in terms of their Characterize interaction with the metal clusters and from it additional Derive information for the determination of the substances.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
Es zeigen:It demonstrate:
- (a)
- des Faser-Untergrundes sowie der ausgewählten Substanzen:
- (b)
- Titandioxid-Modifikation Rutil (TiO2),
- (c)
- Titandioxid-Modifikation Anatas (TiO2) und
- (d)
- p-Bis(o-Methylstyryl)-Benzen (bis-MSB, C24H22: organischer Feststoff).
- (A)
- of the fiber substrate and the selected substances:
- (B)
- Titanium dioxide modification rutile (TiO 2 ),
- (C)
- Titanium dioxide modification anatase (TiO 2 ) and
- (D)
- p-bis (o-methylstyryl) -benzene (bis-MSB, C 24 H 22: organic solid).
Im
Ausführungsbeispiel
wurde ein Nd-YAG-Laser mit einer Anregungswellenlänge von 1064
nm als Lichtquelle
Zur
Eliminierung des Untergrundes in den Raman-Spektren der zu untersuchenden
Substanzen, welcher durch die Rückstreuung
in den optischen Fasern hervorgerufen wird, wurde eine Referenzmessung
durchgeführt,
wobei sich die Sensorspitze
In
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektierbaren Raman-Spektren weisen überraschenderweise ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Eine Analyse von Prozessmedien ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung deshalb problemlos möglich, wenn darin enthaltene Substanzen eine ausreichende Raman-Aktivität besitzen.The Detectable with the device according to the invention Raman spectra surprisingly show a very high signal-to-noise ratio. An analysis of Process media is therefore problem-free with the device according to the invention possible, if substances contained therein have sufficient Raman activity.
- 11
- Lichtquellelight source
- 22
- Detektionseinheitdetection unit
- 33
- Optischer Verbindungssteckeroptical connector
- 44
- Optische Faseroptical fiber
- 55
- Optischer Koppleroptical coupler
- 66
- Optische Faser (Sensorfaser)optical Fiber (sensor fiber)
- 77
- Freigelegtes Ende der Sensorfaser (Sensorspitze)Exposed End of the sensor fiber (sensor tip)
- 88th
- Stirnfläche der SensorspitzeFace of the sensor tip
- 99
- Zu charakterisierendes MediumTo characterizing medium
- aa
- Gemessenes Raman-Spektrum der verwendeten optischen Fasern (Untergrundspektrum bzw. Referenzspektrum)measured Raman spectrum of the optical fibers used (background spectrum or Reference spectrum)
- bb
- Gemessenes Raman-Spektrum von Rutilmeasured Raman spectrum of rutile
- cc
- Gemessenes Raman-Spektrum von Anatasmeasured Raman spectrum of Anatas
- dd
- Gemessenes Raman-Spektrum von bis-MSBmeasured Raman spectrum from bis-MSB
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