Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kolorimetrie und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kolorimetrischen Untersuchung von festen oder flüssigen, strahlungsabsorbierenden Proben.
Die Kolorimetrie ist ein wohlbekanntes Analyseverfahren in der medizinischen und chemischen Analytik. Sie beruht auf der Messung der Lichtabsorption. Das optische Absorptionsvermögen ist ein charakteristische Eigenschaft der Substanzen. Besondere Bedeutung hat die Kolorimetrie bei der Untersuchung von Stoffen in flüssiger oder gelöster Form. So kann beispielsweise aufgrund der Lichtabsorption auf die Konzentration oder auf den chemischen Zustand von Lösungen geschlossen werden. Es sei in diesem Zusammenhang etwa auf die Titration hingewiesen, bei der pH-Wertänderungen optisch erkennbar gemacht werden.
Es ist daher nicht weiter erstaunlich, dass das Kolorimeter, gegebenenfalls in Form einer vollautomatischen Anlage mit Probenentnahme-Vorrichtung, optischem Spektrometer und Datenerfassungseinheit, im medizinischen und chemischen Labor eine wichtige Bedeutung hat.
Der optisch-spektroskopische Teil eines Kolorimeters besteht aus der Probenküvette, einer Lichtquelle, eines monochromatisierenden Elementes, beispielsweise in Form von Farbfiltern oder eines Gitter- oder Prismen-Monochromators und eines Lichtdetektors. Gegebenenfalls kann auf den optischen Bandpass verzichtet werden, insbesondere wenn ein Laser als Lichtquelle verwendet wird. Dazu kommt der elektronische Teil, der die Erfassung und Verarbeitung der optischen Informationen übernimmt.
Die optische Messung beruht in der Regel auf dem Extinktionsverfahren, d.h. in einer genauen Bestimmung der Abschwächung des Lichtstrahles, der die Probenküvette mit der in flüssiger Form vorliegenden Probe durchdrungen hat. Zu diesem Zweck werden meistens zwei Teilstrahlen, von denen der eine die Probenküvette, der andere gegebenenfalls eine Referenzküvette durchdrungen hat (sog. Zweistrahlverfahren), miteinander verglichen.
Wesentliche Bedingung für die Zuverlässigkeit einer kolorimetrischen Extinktionsmessung ist die Abwesenheit von Lichtstreuung durch die Probe. Bei klaren Flüssigkeiten, wie Lösungen, sind diese Bedingung erfüllt. Hingegen ist bei kolloiden Flüssigkeiten und Emulsionen nicht zu verhindern, dass ein Teil des Lichtes nicht durch Absorption, sondern durch Lichtstreuung nicht zum Lichtdetektor gelangt. Unter Verwendung einer effizienten Lichtsammeloptik - etwa des in den europäischen Patenten Nr. 0 072 821 und 0 112 347 beschriebenen elliptischen Reflektors -, welche unter grossem Raumwinkel das von der Probe abgestrahlte Licht einfängt, lässt sich der Lichtstreuung - allerdings unter grossem optischen Aufwand - Rechnung tragen. Eine weitere Möglichkeit zum Einfang der gestreuten Strahlung bietet die sog. Ulbricht'schen Kugel.
Es handelt sich dabei um eine Kugel mit möglichst optimaler lichtstreuender (weisser) Innenfläche. Das Absorptionsvermögen wird in diesem Falle aus der, durch Mehrfachstreuung bedingten, diffusen Strahlung im Kugelinnern ermittelt.
Allen oben besprochenen Kolorimeter-Konstruktionsbeispielen ist gemeinsam, dass die charakteristische optische Grösse, nämlich die Absorption, nicht direkt, sondern indirekt aus einer Differenzmessung ermittelt werden muss. Insbesondere bei sehr kleinen Proben sind solche Differenzmessungen schwierig durchzuführen was sich durch das Auftreten von grossen Messfehlern äussert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen zur kolorimetrischen Untersuchung von festen oder flüssigen, strahlungsabsorbierenden Proben.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Strahlungsabsorption der Probe gemessen wird über Veränderungen in dem Gas, das die Probe umgibt.
Es existieren zwei bewährte Verfahren zur direkten Bestimmung der optischen Absorption. Es handelt sich um das photothermische und das photoakustische Verfahren.
Im ersteren Fall wird die Erwärmung der Probe unter dem Einfluss des Lichtes kalorimetrisch gemessen. An sich könnte zu diesem Zweck die Probe mit einem herkömmlichen Festkörperthermometer in guten thermische Kontakt gebracht werden. Bei sehr kleinen Proben wird diese Methode allerdings problematisch, da einerseits die thermische Kontaktierung des Thermometers schwierig ist, andererseits der Wärmeinhalt und das Lichtabsorptionsvermögen des Thermometers zu Störungen Anlass geben kann. Ein weiteres Problem bietet bei kleinen Proben die thermische Trägheit des Thermometers, das wegen seiner grossen thermische Zeitkonstante die Messzeit unnötig verlängern kann. Bei der Messung kleiner Wärmemengen kann zudem die Wärmeableitung durch die Thermometer-Signalleitungen zu Schwierigkeiten führen.
Eine Alternative zum Kalorimeter mit Festkörper-Thermometer stellt das Ultraschall-Kalorimeter dar. Es sei in diesem Zusammenhang auf die internationale Patentanmeldung Nr. PCT/CH 89/00 029 vom 17. Februar 1989 hingewiesen. Bei diesem Kalorimeter wird die Temperatur des Gases, das die Probe umgibt, gemessen. Diese Gastemperatur geschieht über die Messung der Verstimmung eines Ultraschallresonators, der durch zwei einander gegenüber angeordnete Ultraschallwandler gebildet wird. Die Vorrichtung eignet sich vorzugsweise zur Bestimmung der Absorptionsverluste in optischen absorbierenden Medien. Die kalorimetrische Empfindlichkeit beträgt bei periodischer Anregung der Probe ca. 5 mu W.
Eine zweite Möglichkeit einer direkten Lichtabsorptionsmessung beruht auf dem photoakustische Effekt. Die Probe wird dabei in einen Gasraum eingeschlossen und das bei periodische Lichtanregung auftretende, absorptionsbedingte Drucksignal mittels eines Mikrophons gemessen. Diese Methode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, erfordert aber, dass die Probenküvette, insbesondere, wenn bei niedriger Lichtmodulationsfrequenz gearbeitet, sich in einem luftdicht verschlossenen Raum befindet.
Beiden Detektionsmethoden - der photothermischen und der photoakustischen - ist gemeinsam, dass ausschliesslich die in thermische Form umgesetzte optische Energie, also die Strahlungs-Absorption gemessen wird. Ebenso eignen sich beide Methoden zur raschen Messung der Erwärmung sehr kleiner Proben.
Es ist somit ein wesentlicher Teil der Erfindung, Methoden zur Verfügung zu stellen, welche die direkte Messung der Lichtabsorption kleiner Proben erlauben.
Beispiele der Realisierung der Erfindung sollen anhand der folgenden Figuren erläutert werden:
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines, auf photothermischem Messprinzip beruhendem Kolorimeters für die Untersuchung von kleinen Proben und
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Kolorimeters zur Untersuchung kleiner Proben, das auf dem photoakustischen Messprinzip beruht.
Fig. 1 stellt eine Ausfürungsform des Kolorimeters dar, das sich für die Untersuchung von kleinen Proben eignet. Die Probe 1 befindet sich im Inneren eines weitgehend durch die Berandung 3 verschlossenen, gasenthaltenden - beispielsweise luftgefüllten - Gasvolumens 2. Eine Probe 1 in Form eines Festkörpers kann beispielsweise mit Hilfe einer automatisch gesteuerten Verschiebevorrichtung in den Messbereich 4 gebracht werden. Vorzugsweise dürfte allerdings eine flüssige Probe vorliegen, die entweder in einem als Küvette ausgebildeten transparenten Proberöhrchen in den Messbereich 4 gegeben, oder, wie in Fig. 1 dargestellt, über eine transparente Kapillare 5 in den Messbereich eingepresst wird. Zur kontrollierten Einführung des Probematerials dürfte eine Mikrospritze 6 in Frage kommen.
Eine zusätzliche Mikrospritze 6 min , die ein Gas enthält, kann zur Abtrennung eines Probetropfens 1 und dessen Transport in der Kapillare 5 dienen. Auf diese Weise ist es möglich, genau dosierte Flüssigkeitsmengen, abgetrennt durch Luft oder ein anderes thermisch schlecht leitendes Transportmedium, in der Messbereich 4 zu bringen.
Die Probe 1 im Messbereich 4 wird mit intensitätsmodulierter Strahlung beschlagen. Es kann sich dabei um irgendwelche elektromagnetische Strahlung, insbesondere aber um Licht handeln. Die Strahlen 7, 7 min , 7 min min . . . können direkt, beispielsweise in Form von Laserstrahlen, zur Probe geführt werden, oder aber mittels eines oder mehreren Wellenleitern auf die Probe gerichtet sein. Jeder dieser Strahlen, die abwechslungsweise auf die Probe einwirken, können Licht einer anderen Wellenlänge enthalten und somit eine spektroskopische Untersuchung erlauben. Die Strahlung kann aber auch mit einem einzigen freien oder geführten, 7, Strahl, dessen Wellenlänge beispielsweise verändert werden kann, der Probe zugeführt werden.
Der Strahlmodulator 8 in Form einer Strahlungsquelle mit mechanischem Strahl-Unterbrecher, oder eines Strahlers mit modulierbarer Stromversorgung, bewirkt eine periodische Variation der Strahlungsintensität.
Ein Teil der auftreffenden intensitätsmodulierten Strahlung wird von der absorbierenden Probe aufgenommen und in Wärme umgesetzt. Dadurch entsteht eine periodische Erhöhung der Probentemperatur. Das führt zu einer periodischen Erwärmung des umgebenden Gases - beispielsweise Luft - im Messbereich 4. Es ist das bereits erwähnte Ziel der gestellten Aufgabe, diese Temperaturvariationen im Messbereich 4 direkt zu messen.
Die in Fig 1 dargestellte Methode besteht darin, dass die Gastemperaturvariationen anhand der Verstimmung eines Ultraschallresonators gemessen werden. Der Ultraschallresonator wird durch die beiden als Ultraschallsender 9 und Ultraschallempfänger 10 betriebenen, einander gegenüber angeordneten Ultraschallwandler 9, 10 gebildet. Bei geeigneter Wahl der Signalfrequenz des Oszillators 11, der mit dem Ultraschallsender in Verbindung steht und bei geeignetem Abstand zwischen den Ultraschallwandlern 9, 10 stellt sich im Gasraum eine akustische Resonanz ein.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit bewirken die Gastemperaturvariationen eine periodische Verstimmung des akustischen Resonators, die sich in periodischen Änderungen des Empfängersignales manifestieren. Diese Änderungen können mit Hilfe eines Hochfrequenz-Signalanalysators 12, der zur Entnahme eines Referenzsignales mit dem Oszillator 11 in Verbindung steht, ermittelt werden. Beim Hochfrequenz-Signalanalysator 12 kann es sich um einen Phasendetektor oder einen Lock-in-Verstärker handeln. Das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Signalanalysators 12 wird einem Niederfrequenz-Signalanalysator 13, dessen Referenz dem Strahlmodulator 8 entnommen wird, zugeführt. Das Ausgangssignal des Niederfrequenz-Signalanalysators 13 wird der Registrier- und/ oder Auswerte- Einheit 14 übermittelt.
In letzterer Einheit 14 tritt ein Signal auf, das in Beziehung zu der in der Probe 1 absorbierten Lichtleistung steht.
In Fig. 2 ist ein Beispiel einer kolorimetrischen Vorrichtung dargestellt, bei der die lichtabsorptionsbedingten Temperaturschwankungen der Probe 1 aufgrund des photoakustischen Effektes bestimmt werden. In bezug auf die Probenzuführung und die periodische Belichtung der Probe sei auf die Beschreibung von Fig. 1 hingewiesen.
Statt der Temperaturschwankungen im Probegas werden in diesem Beispiel die periodischen Druckschwankungen, die mit der periodischen Probenaufheizung verbunden sind, mittels eines Mikrophons 15 erfasst. Dieses Mikrophon steht mit einem Niederfrequenz-Signalanalysator 13 in Verbindung, dessen Referenz vom Strahlmodulator 8 geliefert wird. Das Ausgangssignal von 13 wird wiederum zur Verarbeitung einer Registrier- und/oder Auswerte- Einheit 14 zugeführt.
The invention is in the field of colorimetry and relates to a method and a device for the colorimetric analysis of solid or liquid, radiation-absorbing samples.
Colorimetry is a well-known analytical method in medical and chemical analysis. It is based on the measurement of light absorption. The optical absorption capacity is a characteristic property of the substances. Colorimetry is of particular importance when examining substances in liquid or dissolved form. For example, the concentration or the chemical state of solutions can be inferred from the light absorption. In this context, reference should be made, for example, to the titration, in which pH changes are made optically recognizable.
It is therefore not surprising that the colorimeter, possibly in the form of a fully automatic system with a sampling device, optical spectrometer and data acquisition unit, has an important meaning in the medical and chemical laboratory.
The optical-spectroscopic part of a colorimeter consists of the sample cuvette, a light source, a monochromatic element, for example in the form of color filters or a grating or prism monochromator and a light detector. If necessary, the optical bandpass can be dispensed with, in particular if a laser is used as the light source. In addition there is the electronic part, which takes over the acquisition and processing of the optical information.
The optical measurement is usually based on the extinction method, i.e. in a precise determination of the attenuation of the light beam that has penetrated the sample cuvette with the sample in liquid form. For this purpose, two partial beams are usually compared, one of which has penetrated the sample cell, the other possibly a reference cell (so-called two-beam method).
An essential condition for the reliability of a colorimetric absorbance measurement is the absence of light scatter from the sample. With clear liquids, such as solutions, this condition is fulfilled. On the other hand, with colloidal liquids and emulsions, it cannot be prevented that part of the light does not reach the light detector through absorption but through light scattering. Using an efficient light collection optics - such as the elliptical reflector described in European Patents No. 0 072 821 and 0 112 347 - which captures the light emitted by the sample at a large solid angle, light scattering can be calculated - but with great optical effort wear. Another possibility for capturing the scattered radiation is the so-called Ulbricht sphere.
It is a sphere with the best possible light-scattering (white) inner surface. In this case, the absorption capacity is determined from the diffuse radiation inside the sphere caused by multiple scattering.
All of the colorimeter design examples discussed above have in common that the characteristic optical variable, namely the absorption, does not have to be determined directly but indirectly from a difference measurement. In the case of very small samples in particular, such differential measurements are difficult to carry out, which manifests itself in the occurrence of large measurement errors.
It is an object of the invention to provide a method and to provide a device for the colorimetric examination of solid or liquid, radiation-absorbing samples.
The object is achieved by measuring the radiation absorption of the sample via changes in the gas that surrounds the sample.
There are two proven methods for the direct determination of the optical absorption. These are the photothermal and photoacoustic processes.
In the former case, the heating of the sample is measured calorimetrically under the influence of the light. As such, the sample could be brought into good thermal contact with a conventional solid-state thermometer. However, this method becomes problematic for very small samples, since on the one hand the thermal contacting of the thermometer is difficult, and on the other hand the heat content and the light absorption capacity of the thermometer can give rise to faults. Another problem with small samples is the thermal inertia of the thermometer, which can unnecessarily extend the measuring time due to its large thermal time constant. When measuring small amounts of heat, heat dissipation through the thermometer signal lines can also lead to difficulties.
An alternative to the calorimeter with a solid-state thermometer is the ultrasound calorimeter. In this connection, reference is made to the international patent application No. PCT / CH 89/00 029 of February 17, 1989. This calorimeter measures the temperature of the gas surrounding the sample. This gas temperature is measured by measuring the detuning of an ultrasound resonator, which is formed by two ultrasound transducers arranged opposite one another. The device is preferably suitable for determining the absorption losses in optical absorbing media. With periodic excitation of the sample, the calorimetric sensitivity is approx. 5 mu W.
A second possibility for a direct light absorption measurement is based on the photoacoustic effect. The sample is enclosed in a gas space and the absorption-related pressure signal occurring with periodic light excitation is measured using a microphone. This method is characterized by a high sensitivity, but requires that the sample cuvette, especially when working at a low light modulation frequency, is in an airtight room.
Both detection methods - photothermal and photoacoustic - have in common that only the optical energy converted into thermal form, i.e. the radiation absorption, is measured. Both methods are also suitable for quickly measuring the heating of very small samples.
It is therefore an essential part of the invention to provide methods which allow the direct measurement of the light absorption of small samples.
Examples of the implementation of the invention will be explained using the following figures:
1 shows an embodiment of a colorimeter based on the photothermal measuring principle for the examination of small samples and
2 shows an embodiment of a colorimeter for examining small samples, which is based on the photoacoustic measuring principle.
Fig. 1 shows an embodiment of the colorimeter, which is suitable for the examination of small samples. The sample 1 is located inside a gas-containing - for example air-filled - gas volume 2 that is largely closed by the border 3. A sample 1 in the form of a solid body can be brought into the measuring area 4 for example with the aid of an automatically controlled displacement device. However, a liquid sample should preferably be present, which is either placed in the measuring area 4 in a transparent sample tube designed as a cuvette or, as shown in FIG. 1, is pressed into the measuring area via a transparent capillary 5. A micro-syringe 6 should be considered for the controlled introduction of the sample material.
An additional micro-syringe 6 min, which contains a gas, can be used to separate a sample drop 1 and to transport it in the capillary 5. In this way it is possible to bring precisely metered amounts of liquid, separated by air or another thermally poorly conductive transport medium, into the measuring area 4.
The sample 1 in the measuring area 4 is fogged with intensity-modulated radiation. It can be any electromagnetic radiation, but especially light. The rays 7, 7 min, 7 min min. . . can be guided directly to the sample, for example in the form of laser beams, or can be directed onto the sample by means of one or more waveguides. Each of these rays, which act alternately on the sample, can contain light of a different wavelength and thus allow a spectroscopic examination. However, the radiation can also be supplied to the sample with a single free or guided beam, the wavelength of which can be changed, for example.
The beam modulator 8 in the form of a radiation source with a mechanical beam interrupter, or a radiator with a modulable power supply, causes a periodic variation in the radiation intensity.
Part of the incident intensity-modulated radiation is absorbed by the absorbing sample and converted into heat. This creates a periodic increase in the sample temperature. This leads to periodic heating of the surrounding gas - for example air - in the measuring range 4. It is the already mentioned aim of the task to measure these temperature variations directly in the measuring range 4.
The method shown in Fig. 1 is that the gas temperature variations are measured using the detuning of an ultrasonic resonator. The ultrasound resonator is formed by the two ultrasound transducers 9, 10, which are operated as ultrasound transmitters 9 and ultrasound receivers 10 and are arranged opposite one another. With a suitable choice of the signal frequency of the oscillator 11, which is connected to the ultrasound transmitter and with a suitable distance between the ultrasound transducers 9, 10, an acoustic resonance is established in the gas space.
Due to the temperature dependence of the speed of sound, the gas temperature variations cause a periodic detuning of the acoustic resonator, which manifests itself in periodic changes in the receiver signal. These changes can be determined with the aid of a high-frequency signal analyzer 12, which is connected to the oscillator 11 in order to extract a reference signal. The high-frequency signal analyzer 12 can be a phase detector or a lock-in amplifier. The output signal of the high-frequency signal analyzer 12 is fed to a low-frequency signal analyzer 13, the reference of which is taken from the beam modulator 8. The output signal of the low-frequency signal analyzer 13 is transmitted to the registration and / or evaluation unit 14.
A signal occurs in the latter unit 14 which is related to the light power absorbed in the sample 1.
FIG. 2 shows an example of a colorimetric device in which the light absorption-related temperature fluctuations of sample 1 are determined on the basis of the photoacoustic effect. With regard to the sample feed and the periodic exposure of the sample, reference is made to the description of FIG. 1.
Instead of the temperature fluctuations in the sample gas, in this example the periodic pressure fluctuations, which are associated with the periodic sample heating, are recorded by means of a microphone 15. This microphone is connected to a low-frequency signal analyzer 13, the reference of which is supplied by the beam modulator 8. The output signal from 13 is in turn fed to a registration and / or evaluation unit 14 for processing.