CN117916579A - 用于同时多成分分析的拉曼光度计；测量系统和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拉曼光度计(10)，其包括带测量单元(22)的基础模块(20)，该测量模块用于产生拉曼辐射(25)，通过物质样品(15)发射该拉曼辐射。拉曼光度计(10)还包括至少一个扩展模块(30，31，32)。根据本发明，扩展模块(30，31，32)至少具有半渗透的第一干涉滤波器(36)，该扩展模块用于同时获取物质样品(15)的第一成分和第二成分(16，17)。本发明还涉及用于测量物质样品(15)的组分(19)的方法(100)，该方法能够借助这种拉曼光度计(10)执行。本发明还涉及设计用于执行这种方法(100)的评估单元(60)以及具有根据本发明的拉曼光度计(10)的光谱仪系统(70)。本发明还涉及用于模拟根据本发明的拉曼光度计(10)的运行行为的计算机程序产品(80)。

Description

用于同时多成分分析的拉曼光度计；测量系统和计算机程序 产品

技术领域

本发明涉及设计用于物质样品的同时多成分分析的拉曼光度计。本发明还涉及具有这种拉曼光度计的测量系统。本发明同样涉及用于模拟这种拉曼光度计的运行行为的计算机程序产品。

背景技术

从专利申请US2007/0285658 A1已知拉曼光度计，其被设计用于加速探测样品的多个成分。为此目的，拉曼光度计具有光导，借助该光导将带有拉曼辐射的射束路径引导至旋转棱镜。借助旋转棱镜，射束路径被依次引导到多个带通滤波器。带通滤波器耦接至单个光学检测器，该光学检测器依次检测馈送的过滤的射束路径。由此实现了时间复用的原理。

在各种工业过程中需要监测具有大量成分的物质样品的组分。为了调节和控制这种工业过程、例如化学或制药制造过程或废气监测，优选快速确定被监测的过程介质的组分。同时，为此适合设置的设备应该易于修改。本发明的目的是提供用于确定物质样品的组分的装置，该装置在显示的至少一个点处具有改进。

发明内容

该目的通过根据本发明的拉曼光度计来实现，该拉曼光度计包括基础模块和扩展模块。基础模块包括测量单元，在测量单元中能容纳物质样品，物质样品的组分必须被确定。物质样品能被封闭在测量单元中，或者在操作过程中能流过测量单元。物质样品能包括气体混合物、液体和/或固体。在拉曼光度计的操作期间能照射测量单元中的物质样品，使得由物质样品产生用于表征其构成的拉曼辐射。拉曼辐射包括由物质样品的分子的非弹性散射引起的所谓的反斯托克斯拉曼辐射和所谓的斯托克斯拉曼辐射。在测量单元中产生的拉曼辐射在射束路径中以光学方式进入与基础模块连接的至少一个扩展模块。扩展模块用于获取入射的拉曼辐射，以确定物质样品的组分。根据本发明，扩展模块具有至少一个半渗透的第一干涉滤波器，第一干涉滤波器能部分地穿过拉曼辐射并且在此部分地反射。通过第一干涉滤波器的部分的拉曼辐射是物质样品的第一成分的特征。拉曼辐射的反射部分又包括部段，该部段是物质样品的第二成分的特征。两个部分在光学上传播并且基本上能同时用于评估。因此，根据本发明，半渗透的第一干涉滤波器用于同时获取物质样品的第一成分和第二成分。

对于第一成分和第二成分设有在操作中通过根据本发明的拉曼光度计中的半渗透的第一干涉滤波器能立即评估的测量信号。因此，物质样品能在缩短的间隔内被照射多次，以获得组分的附加测量值。因此，能快速确定物质样品的组分。与已知的测量运行需要几分钟的气相色谱法相比，使用根据本发明的拉曼光度计能在不到60秒内探测到物质样品的组分。能达到的采样率仅受样品在测量单元中要交换的时间限制。因此，根据本发明的拉曼光度计总体上实现了并行进程的拉曼光度计的原理。物质样品的同时能检测成分的数量能通过基础模块上的另外的扩展模块来增加。根据本发明的拉曼光度计由于其增加的采样率而适合于在构成方面快速地测量甚至具有许多成分的复杂物质样品。这允许根据本发明的拉曼光度计用在工业过程、特别是化学过程的闭环控制和开环控制中，其对于工艺介质的组分是敏感的，例如用在药物的制造中。此外，根据本发明，在测量单元和半渗透的第一干涉滤波器之间布置有间隙隔膜。由间隙隔膜对测量单元中产生的拉曼辐射进行空间过滤。此外，间隙隔膜用于在测量操作期间至少在第一接收器中减少背景信号、例如背景噪声。

在要求保护的拉曼光度计的实施方式中，至少第一接收器能被设计为基本上具有条带形状。至少第一接收器被布置在至少一个扩展模块中。条带形状对应于空间滤波的拉曼辐射，使得为此需要更小的接收器面积。在各个接收器的操作期间，接收到的暗信号部分减少。每个接收器的连续操作所需的冷却能力降低。

在要求保护的拉曼光度计的实施方式中，第一干涉滤波器被设计为用于第一拉曼带的带通滤波器。拉曼带在这里被理解为波长范围，其中，在特定材料的情况下产生拉曼辐射。带通滤波器容易地实现半渗透的干涉滤波器的原理。第一干涉滤波器能穿透的拉曼带能通过与第一干涉滤波器相关联的第一接收器、即在其光学下游被探测。选择第一干涉滤波器和第一接收器，以便考虑入射的拉曼带的中心波长的位移。第一接收器能特别被设计用于量化所接收的第一拉曼带并且因此确定物质样品的第一成分的浓度。因此，通过选择第一干涉滤波器能预设必须通过第一接收器探测哪个拉曼带。因此，能针对该波长范围和拉曼带的预期强度来选择合适的接收器。因此，为了足够准确地测量几个拉曼带所必需的技术妥协是不必要的。特别地，与已知的拉曼光度计相比，缝隙孔径是不必要的，通过该拉曼光度计能降低待检测的拉曼带的强度。此外，对用第一接收器检测到的测量信号的评估能仅集中在期望的拉曼带上，这允许简化并因此加速测量信号的处理。例如，所谓的多线性回归能用于特别精确的评估。因此能以容易的方式实现第一成分的提高的测量精度。这能转移至扩展模块中的其他接收器和其他半渗透的干涉滤波器。

此外，第一干涉滤波器能被设计用于反射位于第一拉曼带之外的拉曼辐射的射束路径。第一干涉滤波器能相对于射束路径倾斜地定向。反射射束路径由第一干涉滤波器引导到布置在扩展模块中的半渗透的第二干涉滤波器。第二干涉滤波器对类似于第一干涉滤波器的第二拉曼带是能穿透的。第二干涉滤波器被分配有第二接收器，即第二接收器以光学的方式布置在下游，使得第二拉曼带能被第二接收器检测到。特别地，第二干涉滤波器能设计为带通滤波器。第二拉曼带是物质样品的第二成分的特征，使得能通过第二接收器检测其浓度。类似于第一接收器，第二接收器也能被有针对性地选择用于第二拉曼带的精确检测。通过带通滤波器到合适的拉曼带的接收器并且将其他拉曼辐射反射到另外的干涉滤波器的原理能以简单的方式缩放。能缩放性基本上受到扩展模块上能用的安装空间和接收器的尺寸限制。

在要求保护的拉曼光度计的另外的实施方式中，拉曼光度计的扩展模块包括至少三个接收器。三个接收器能以节省空间的方式安装在平面中的基本长方体形状的扩展模块的基础形式中。可替换地，扩展模块能在一侧连接至基础模块并且设有五个接收器，五个接收设备基本上布置在剩余的长方体表面上。可替换地，基础模块还可以具有每个多面体形状作为基本形式，通过其来限定表面，扩展模块能附接至其上。在要求保护的拉曼光度计中，至少三个接收器能容易地从外部接入，这允许快速且容易的维护，尤其是在接收器的模块化更换中进行。通过由单独分配的接收设备对各个拉曼带进行单独评估，能有目的地识别这些或其相关干涉滤波器的缺陷，从而简化修复。同样，描述的结构能快速修改拉曼光度计。因此，该结构能以面向应用的方式改变。

此外，要求保护的拉曼光度计中的至少一个接收器能设计为光电探测器，例如是光电倍增器或微光倍增器。这些允许检测单个光子，进而在测量拉曼带时提供提高的灵敏度。由于干涉滤波器是半渗透的，因此只能预期有限的辐射入射到光电探测器上，从而能尽量利用其灵敏度。此外，在这种接收器中可以使测量时间最小化。此外，被设计为光电探测器的至少一个接收器还能具有冷却系统，通过该冷却系统在升高的环境温度下可以降低所谓的探测器噪声。冷却系统能在此包括主动冷却部件、例如氮气冷却、珀耳帖元件，或者包括风扇和/或被动冷却部件、例如散热片或散热器。在这种情况下，接收器例如能设计为所谓的光电倍增器。此外，本发明基于令人惊讶的发现，即向环境空气中的热量排放足以进行持久的操作。因此，要求保护的拉曼光度计能以节省空间和成本高效的方式制造。可替换地，光电探测器也能设计为所谓的雪崩光电二极管、电子倍增CCD(EMCCD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、盖革(Geiger)模式下的雪崩二极管(GAPD)。在对应拉曼带的低强度下，能使用适合于计数光子脉冲的接收器。在物质样品的组分浓度增加时，或者在含有液体或固体的物质样品中，接收器能被设计用于检测光子流。

此外，测量单元在基础模块中被设计成，使得从拉曼辐射产生的射束路径基本垂直于来自测量单元激励光源的辐射方向进行发射，即射出。激励光源与基础模块相连接并且被设计用于直接辐射物质样品。通过辐射在物质样品的分子中引起虚拟能级跃迁，通过能级跃迁产生拉曼辐射和瑞利辐射。能在基础模块背向激励光源的一侧布置光阱，通过光阱能减少由于墙反射而导致的散射光。这使得背景信号得以减少。激励光源能固定至基础模块的侧表面，该侧表面提供良好的可接触性，例如用于修复过程。待分析的拉曼辐射和待抑制的瑞利辐射基本上垂直于激励光源的射束方向存在。瑞利辐射能很容易地被滤除，例如使用缝隙式过滤器。因此，垂直于激励光源的射束方向发出的拉曼辐射在很大程度上不受干涉影响，这使得测量精度得以提高。可替代地或附加地，测量单元还能设计成在防爆意义上是耐压的。这意味着能在高于环境气压的压力下分析物质样品。物质样品上的压力越高，产生的拉曼辐射能达到的强度就越高。这允许例如实现提高样品中浓度降低的组分的测量精度。

在要求保护的拉曼光度计的另外的实施方式中，激励光源被设计为激光器、特别是中心波长为350nm至450nm的激光器。这种中心波长位于可见光的光谱中，大约在从紫色到蓝色的范围内。因此，至少一个干涉滤波器能被设计为简单的玻璃光学器件。这消除了对石英光学器件等复杂组件的需求。具有这种波长的激光器也用于其他技术领域、例如增材制造或生物医学，因此易于获得且具有成本效益。此外，具有这种中心波长的激光器对于产生拉曼辐射特别有效，因为拉曼辐射的强度与其激励波长的四次方间接成正比。例如，使用中心波长为402nm的激光能针对氢气、氮气、二氧化碳、氧气、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和水产生中心波长为410nm至490nm的拉曼带。这些又能以简单的方式清楚地区分，从而保证可靠的测量。同样，不需要使用现有技术中复杂或更大的激励光源、例如HeNe激光器。

此外，至少第一干涉滤波器能在中心波长周围具有高达20nm、特别是高达10nm的半宽度。半宽度限定了各个干涉滤波器的中心波长周围的波长窗口，其中，它是透明的。能以简单的方式制造具有精确半宽度的干涉滤波器，使得能精确地调节第一干涉滤波器的部分透射率。此外，实现带通滤波器原理的干涉滤波器能按限定的形式作为备件进行生产。特别地，这种带通滤波器用于其他技术领域并且被批量生产。因此，阐述的带通滤波器具有成本效益。因此，至少第一干涉滤波器能容易地更换。这能简化要求保护的拉曼光度计的维修。拉曼光度计的扩展模块还能通过更换干涉滤波器来快速适应不同的拉曼带。总而言之，要求保护的拉曼光度计能以简单的方式转换用于其他应用。

此外，要求保护的拉曼光度计能具有至少半渗透的干涉滤波器，干涉滤波器具有的中心波长为350nm至555nm。该频谱也位于可见光部分内，并且能以容易的方式被接收器检测到。特别地，当用中心波长为350nm至550nm的激光激励物质样品时，能产生350nm至555nm范围内的拉曼辐射。在该区域中，能清楚地区分物质样品的各个成分。

同样，在要求保护的拉曼光度计中，基础模块能连接至两个至六个扩展模块。至少一个扩展模块能以可非破坏性拆卸的方式耦接至基础模块。由于三个接收器能容易地连接至每个扩展模块，因此在六个扩展模块的情况下能轻松地基本上即时检查包含多达18个成分的物质样品的组分。还可替代地，至少一个扩展模块能具有射束路径出口，使得入射的拉曼辐射能被引导至另一扩展模块中。由此要求保护的拉曼光度计能进一步扩展。

该任务还通过根据本发明的方法来实现，利用该方法测量物质样品的组分。为此，在拉曼光度计中提供了物质样品，物质样品具有多个成分。在该方法的第一步中，用激励光源照射物质样品。照射产生拉曼辐射，拉曼辐射能具有所谓的斯托克斯拉曼辐射和反斯托克斯拉曼辐射。拉曼辐射由物质样品发射并且基本上以光学方式传播。在第二步骤中，所发射的拉曼辐射的射束路径被光学引导至第一干涉滤波器上。光学引导能使用光圈、透镜和其他光学元件来实现。在第三步骤中，来自第二步骤的射束路径撞击第一干涉滤波器。在第三步骤中，部分拉曼辐射通过第一干涉滤波器传送至第一接收器。第一接收器被被设计用于获取第一拉曼带。在与第三步骤基本上同时发生的第四步骤中，在第一干涉滤波器处剩余的拉曼辐射至少部分地被反射至第二干涉滤波器。因此，在第三步骤中未让其到达第一接收器的部分至少部分地被进一步反射。根据本发明，第二干涉滤波器光学连接在第二接收器的上游，第二接收器被设计用于检测第二拉曼带。由于具有拉曼辐射的射束路径的光学传播，第一拉曼带和第二拉曼带基本上同时到达第一接收器或第二接收器。第一拉曼带和第二拉曼带是物质样品的第一成分和第二成分的特征，因此能以更高的精度单独测量它们。接收器设计用于检测入射的拉曼带的强度，从其中能导出相应成分的浓度。使用根据本发明的方法，甚至能快速且精确地检查具有大量成分的复杂物质样品的组分。根据本发明的方法连同半渗透的第一干涉滤波器基于相对简单的无源部件。因此，并行拉曼光度计的设计以极其简单的方式实现。因此，能经由第一接收器和第二接收器基本上同时地提供测量信号，该测量信号能由拉曼光度计的评估单元来评估。通过这些同步测量信号，能以技术上有意义的方式利用当今评估单元的计算能力。特别地，能利用根据本发明的方法来实现实时能力以用于广泛的应用。特别地，这允许使用敏感过程介质来闭环控制和开环控制工业过程。根据本发明的方法能特别地使用根据上述实施方式之一的拉曼光度计来执行。因此，拉曼光度计的技术方面能很容易地单独或组合地转用至阐述的方法中。

在要求保护的方法的实施方式中，通过第一接收器的第一拉曼带的检测和通过第二接收器的第二拉曼带的检测基本上同时进行。因此，由第一接收器和第二接收器同时产生测量信号，该测量信号被传输至评估单元。还可替换地，在要求保护的方法中，借助第三干涉滤波器、第四干涉滤波器等也将其他的拉曼带单独地引导至第三接收器、第四接收器等。因此，要求保护的方法以简单的方式是能缩放的。

基本目的还通过根据本发明的评估单元来实现，该评估单元被设计用在光谱仪系统中。光谱仪为此被设计用于检测物质样品的组分并且为此目的具有拉曼光度计。根据本发明，评估单元为此被设计成将拉曼光度计的至少两个接收器的测量信号同时接收和评估。特别地，评估单元为此被设计用于执行根据上述实施方式之一的方法，即借助测量信号来确定物质样品的组分，该测量信号通过拉曼光度计的接收器基本上同时产生。特别地，评估单元为此被设计用于根据上述实施方式之一与拉曼光度计相连接。为了执行要求保护的方法，评估单元具有评估程序，利用评估程序处理接收到的测量信号。此外，评估单元具有人工智能，该人工智能借助训练数据集被训练。从测量信号得出的测量值具有测量不准确程度，因此存在容差范围。使用人工智能，成分测量能被进一步细化，即更精确。

同样，开头描述的目的通过本发明的光谱仪系统来实现，该光谱仪系统为此被设计用于确定物质样品的组分。光谱仪系统包括拉曼光度计和与拉曼光度计连接的评估单元。根据本发明，拉曼光度计根据上述实施方式之一来设计。补充地，评估单元还能根据上述实施方式之一来设计。根据本发明的光谱仪系统在检测物质样品的组分时提供增加的采样率。总而言之，这种物质样品基本上能被实时监测其构成。因此，要求保护的光谱仪系统适合于监测具有敏感过程介质的工业过程。

此外，该目的通过根据本发明的计算机程序产品来实现，该计算机程序产品能被设计用于模拟拉曼光度计的运行行为，特别地为此被设置用于模拟拉曼光度计的运行行为。计算机程序产品能包括当计算机程序由计算机执行时使得计算机模拟拉曼光度计的运行行为的指令。为了模拟拉曼光度计的运行行为，计算机程序产品具有物理模块，其至少模拟被拉曼辐射照射的干涉滤波器的反射行为和透射行为。同样，物理模块能为此被设计用于调整至少一个接收器的反应行为，该接收器布置在这种干涉滤波器之后。为此，待模拟的拉曼光度计至少部分地在要求保护的计算机程序中映射，例如针对其结构的构造和/或其工作原理方面。可替代地或补充地，拉曼光度计还能被设计为在物理模块中的计算模型。物理模块为此被设计用于在能设置的运行条件下调整拉曼光度计的运行行为。属于能设置的运行条件例如是物质样品的组分、构成的改变、激励光源的中间波长、激励光源的效率、和/或半渗透的干涉滤波器的温度相关的透射行为和反射行为。计算机程序产品能具有数据接口，相应的数据能经由数据接口经由使用者输入和/或其他模拟相关的计算机程序预定。同样，计算机程序产品具有用于输出模拟结果至使用者的数据接口和/或具有其他模拟相关的计算机程序产品。借助计算机程序产品，例如在拉曼光度计本身中的有缺陷的干涉滤波器、错误对准的干涉滤波器和/或有缺陷的接收器、扩展模块的错误组装和/或系统过程中的故障能被识别，从其中提取物质样品。因此，要求保护的计算机程序产品为此被设计用于保证用于根据本发明的拉曼光度计的错误诊断和/或与此相关联的系统过程。为此目的，根据上述实施方式之一来设计待模拟的拉曼光度计。特别地，在计算机程序产品中模拟拉曼辐射，该拉曼辐射通过间隙隔膜来过滤并且因此具有减少的背景噪音。此外，通过每个接收器存在更强的选择信息的方法，该方法由在每个接收器上的干涉滤波器简化。对经由间隙隔膜和至少第一干涉滤波器过滤的这种模拟拉曼辐射的模拟检测也仅需要简化的模拟评估。因此，具有较少的计算花费的根据本发明的计算机程序产品能被执行。这再次允许，使要求保护的具有更高速度的计算机程序产品运行。因此，计算机程序产品为此是合适的，基础的拉曼光度计基本上实时进行模拟。术语“实时”应在此被理解为底层应用和实时能力的相关要求，例如用在石化装置中。同样，要求保护的计算机程序产品能用于执行对基础拉曼光度计的改进的监控，该监控允许更快地识别到拉曼光度计中的缺陷，并且因此增加了使用拉曼光度计的系统的操作安全性。

由于基础的拉曼光度计用于模拟考虑的组分也能被并行地监控，拉曼光度计的运行行为通过根据本发明的计算机程序产品是能模拟的，其实现并行拉曼光度计的原理。特别地，它们各自的运行行为中的相互依赖程度降低了。例如，接收器的模拟运行行为基本上只取决于直接布置在这前面的干涉滤波器。针对功能并行以惊讶的方式也得出可行性，即使根据本发明的计算机程序产品以并行的单独过程的形式进行。相应的根据本发明的计算机程序产品还能以减少的计算能力足够快速地执行。特别地，根据本发明的计算机程序产品提供实时能力，例如用于模拟拉曼光度计的实施监控。例如，能集成拉曼光度计的系统过程会产生定义实时能力的附加要求。此外，借助根据本发明的计算机程序产品还能以实际方式在系统过程的框架内检测多个拉曼光度计。计算机程序产品还能设计为所谓的数字孪生，例如，在US2017/286572 A1中描述的。US2017/286572 A1的公开内容通过引入并入本申请。计算机程序产品能设计为单片的，即在硬件平台上完全能执行。可替代地，计算机程序产品能以模块的方式设计并且包括多个子程序，子程序能在单独硬件平台上执行并且经由通信的数据连接共同起作用。这种通信数据连接能是网络连接或因特网连接。通过根据本发明的计算机程序产品还通过模拟来测试和/或优化拉曼光度计或光谱仪系统。

附图说明

本发明在下文中借助各个实施方式在附图中更详细地进行阐述。在不同附图中的相同参考符号具有相同技术含义的情况下，这些附图应在某种程度上相互补充。不同实施方式的特征能彼此结合并且与上述特征结合。特别是：

图1示出要求保护的光谱仪系统的第一实施方式的局部平面图的构造；

图2示出要求保护的光谱仪系统的扩展模块的局部平面图的详细视图；

图3示出用于要求保护的方法的实施方式的阶段的图表。

具体实施方式

要求保护的光谱仪系统70的实施方式的构造在图1中以局部平面图示出，光谱仪系统具有拉曼光度计，拉曼光度计与评估单元60耦接。拉曼光度计10在此处于用于确定物质样品15的组分19的方法100的阶段，拉曼光度计10设置用于其执行。拉曼光度计10具有基础模块20，其中，测量单元22被设计用于使得物质样品15被施加至测量单元中。基础模块20能在防爆的意义上被设计为抗压的，使得物质样品15也能被分析，该物质样品具有位于环境气压之上的压力。物质样品15中的压力越高，则检测的强度就越高。物质样品15包括第一成分16、第二成分17、第三成分18，物质样品的相应的浓度由方法100来测定。基础模块20设有激励光源24，该激励光源设计为激光器28并且适合在第一步骤110中照射物质样品15。为了提高激光器28的照射质量，在基础模块20中布置有预过滤器48，该预过滤器设计为带通滤波器，该带通滤波器在激光器28的中心波长54的范围内是能穿透的。由于使用激励光源24照射物质样品15引起拉曼辐射25，该拉曼辐射由物质样品15发射。为了分散来自激励光源24的射束，基础模块20在与激励光源24相对的区域中设有光阱23。光阱23能被设计为将基础模块20中的拉曼光的强度增加大约2的因数。

产生的拉曼辐射25主要基本垂直于激励光源24的射束方向26传播，并且到达与基础模块20连接的扩展模块30。扩展模块30属于拉曼光度计10并且分别具有基体33，基体33经由耦接元件12可拆卸地连接到基础模块20。基础模块20设有第一扩展模块31，第一扩展模块与第二扩展模块32相对设置。在第一扩展模块31中布置第一干涉滤波器36、第二干涉滤波器37和第三干涉滤波器38，干涉滤波器分别被设计为半渗透的。入射到第一扩展模块31中的拉曼辐射25被干涉滤波器36、37、38部分地传送到相应光学布置在其后的接收器40。因此，由第一干涉滤波器36传送的拉曼辐射25到达第一接收器41，从第二干涉滤波器37传送的拉曼辐射25到达第二接收器42，并且从第三干涉滤波器38传送的拉曼辐射到达第三接收器43。接收器40分别被设计成产生与接收到的拉曼辐射25相对应的测量信号29，该测量信号被引导至评估单元60。

拉曼光度计10还具有第二扩展模块32，该第二扩展模块基本上在其结构上对应于第一扩展模块31，但并不相同。特别地，第一扩展模块31和第二扩展模块32中的干涉滤波器36、37、38在它们各自的配置方面不同。第一扩展模块31和第二扩展模块32中的干涉滤波器36、37、38被设计成探测物质样品15的不同成分。因此，根据图1的拉曼光度计10适合于单独地检测物质样品15中的六种不同成分。根据图1的拉曼光度计10的运行行为能通过未详细示出的计算机程序产品80来模拟。计算机程序产品80在此被设计为拉曼光度计10的数字孪生。

根据图1的拉曼光度计10的第一扩展模块31在图2中以详细视图示出。在基础模块20的测量单元22中产生的拉曼辐射25通过耦接元件12和间隙隔膜49传播至第一扩展模块31中。通过间隙隔膜49，拉曼辐射25的一部分被引导到第一扩展模块31中，该第一扩展模块在测量单元22的中心部段中产生。拉曼辐射25的传播以射束路径27的形式进行，该射束路径能由相应的透镜35进行光学引导。射束路径27还由光学过滤器39引导，拉曼辐射25能由该过滤器预过滤，并且该过滤器例如设计截止过滤器。在方法100的第二步骤120中，射束路径27被以光学方式引导至第一干涉滤波器36，该第一干涉滤波器是半渗透的并且设计为带通滤波器。包括第一拉曼带56的拉曼辐射25的射束路径27的一部分通过第一干涉滤波器36，并在第三步骤130中经由透镜35到达第一接收器41，该第一接收器被设计为光电检测器44。接收器41被设计为探测并定量检测对应于第一拉曼带56的波长范围中的拉曼辐射25。在第一拉曼带56的区域中的拉曼辐射25的强度对应于物质样品15的第一成分16的浓度，如图1所示。因此，第一接收器41用于测量物质样品15的第一成分16。

为了在第一拉曼带56的区域中透射拉曼辐射25，基于在基体33中倾斜的入射射束路径27设置第一干涉滤波器36。通过第一干涉滤波器36的倾斜布置，在方法100的第四步骤140中，在第三步骤130中的拉曼辐射25的不能透射的部分被反射。如此至少部分反射的拉曼辐射25因此被引导到第二干涉滤波器37，如相应的射束路径27所示。类似于第一干涉滤波器36，第二干涉滤波器37也是半渗透的。在第二拉曼带57的区域中的拉曼辐射25通过第二干涉滤波器37并且由透镜35引导到第二接收器42。对应于第一接收器41，第二接收器42被设计为定量地检测第二拉曼带57的波长范围内的拉曼辐射25。在第二拉曼带57的波长范围内的拉曼辐射25的强度是物质样品15的第二成分17的浓度的测量值，如图1所示。还类似于第一干涉滤波器36，第二干涉滤波器37基于倾斜在基体33中的入射射束路径27布置。拉曼辐射25的位于第二拉曼带57之外的部分被引导到第三干涉滤波器38。

第三干涉滤波器38同样也设计为半渗透的。特别地，第三干涉滤波器38被设计为在第三拉曼带58的区域中透射拉曼辐射25。在第三干涉滤波器38的后面光学地布置有第三接收器43，该第三接收器被设计用于在第三拉曼带58的波长范围内的拉曼辐射25的定量检测。在第三拉曼带58的波长范围内的拉曼辐射25的强度是物质样品15的第三成分18的浓度的测量值，如图1所示。

由于拉曼辐射25沿着射束路径27的光学传播，接收器40、即第一接收器41、第二接收器42和第三接收器43能同时被操作。至少第一拉曼带56和第二拉曼带57基本上同时地(即，同步地)通过第一接收器41或第二接收器42是能接收和能检测的。为此，如图1所示，过程100的第一步骤110以及第二步骤120、第三步骤130和第四步骤140基本上能同时执行。因此，至少在浓度方面能同步检测物质样品15的第一成分16和第二成分17。从而实现了并行拉曼光度计10的原理。物质样品15的至少第一成分16和第二成分17在第一扩展模块31中基本上是能实时检测的。此外，接收器40能从外部单独访问并且能互换。因此，第一扩展模块31不仅整体上能互换，而且本身能以模块的方式维修。此外，第一扩展模块31能通过将接收器40替换为物质样品15的其他预期组分19而被适配。借助于根据图2的第一扩展模块31，总共能同步检测物质样品15的第一成分16、第二成分17和第三成分18。第一扩展模块31的工作原理能类似地转移到根据图1的拉曼光度计10的第二扩展模块32。通过适当地选择干涉滤波器36、37、38以及第一扩展模块31和第二扩展模块32中的接收器40，由它们同时获取物质样品15的总共六个不同成分。拉曼辐射25的射束路径27在扩展模块30中的干涉滤波器36、37、38处的反射行为和透射行为属于相关联的拉曼光度计10的运行行为。同样地，接收器40的接收行为属于拉曼光度计10的运行行为。运行行为能通过未详细示出的计算机程序产品80来模拟。为此，计算机程序产品80被设计为拉曼光度计10的数字孪生。

图3示出了图表50，示意性地表示在图表50中要求保护的方法100的第三步骤130和第四步骤140处的第一干涉滤波器36的工作原理。图表50具有指示拉曼辐射25的当前波长的水平波长轴51。图表50还具有垂直强度轴53，该强度轴指示相应的拉曼辐射25的强度。拉曼辐射10具有三个峰值、即所谓的尖峰45、46、47，它们具有不同的波长。通过每个尖峰45、46、47基本上定义了拉曼带56、57、58。在第一尖峰45的区域中，在第一干涉滤波器36中存在透射部段59，其中，第一干涉滤波器36是能穿透的。第一尖峰45位于第一拉曼带56内，该第一拉曼带能通过第一干涉滤波器36并且例如经由第一接收器41被检测到，如图1所示。透射范围59具有中心波长54，中心波长基本上限定了透射部段59的中心位置。此外，透射部段59由在中心波长54两侧延伸的半值宽度55限定。在第一干涉滤波器36中，以这种方式选择中心波长54，使得其基本上与第一尖峰45重叠，并且因此与第一拉曼带56重叠。因此，对于第一拉曼带56存在第一干涉滤波器36中增加的透明度。第一拉曼带56的穿透发生在方法100的第三步骤130中，尤其如图2所示。第一拉曼带56和存在于其中的强度是待研究的物质样品15的第一成分16的浓度的测量值，如图1所示。

在第二尖峰46和第三尖峰47的范围内，第一干涉滤波器36设计为不能穿透的。因为第一干涉滤波器36是斜向安装的，所以在透射部段59的外部进行拉曼辐射25的反射。第一尖峰45、第二尖峰46和第三尖峰47属于拉曼辐射25到达的同一射束路径27。沿着波长轴51，相关联的反射部段52位于透射部段59的两侧。拉曼辐射25在第二拉曼带57和第三拉曼带58的区域中被反射至第二干涉滤波器37，例如如图2所示。用第二拉曼带57和第三拉曼带58反射射束路径27发生在要求保护的方法100的第四步骤140中。通过包括拉曼辐射25的射束路径27的反射和透射的组合，表明第一干涉滤波器36是半渗透的。

透射部段59具有相应的直至20nm的半宽度55。因为在第三步骤130中只有射束路径27的一小部分能通过干涉滤波器36，所以干涉滤波器36能以简单的方式制造。损坏的第一干涉滤波器36立即导致相关拉曼光度计10的运行中明显能定位的误差，从而导致简化的能修复性。此外，第一干涉滤波器36的透射行为和反射行为能以简单的方式并且同时通过计算机程序产品80精确地模拟。因此能够通过包括拉曼光度计10的数字孪生的计算机程序产品80可靠地识别出有缺陷的第一干涉滤波器36。

第三步骤130和第四步骤140的结构和工作原理能容易地转用到例如具有第二尖峰46或第三尖峰47的其他波长，并且因此具有在透射部段59中的第二拉曼带57或第三拉曼带58。图3中所示的实施方式的技术优点也类似地适用于该对应的实施方式。

Claims (16)

1.一种拉曼光度计(10)，包括基础模块(20)和至少一个扩展模块(30，31，32)，所述基础模块具有用于通过物质样品(15)产生拉曼辐射(25)的测量单元(22)，其特征在于，所述扩展模块(30，31，32)为了同时获取所述物质样品(15)的第一成分和第二成分(16，17)而具有至少一个半渗透的第一干涉滤波器(36)，并且在所述测量单元(22)与半渗透的所述第一干涉滤波器(36)之间布置有间隙隔膜(49)。

2.根据权利要求1所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，布置在所述扩展模块(30，31，32)中的至少一个第一接收器(40，41，42，43)被设计成条带的形状。

3.根据权利要求1或2所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，所述第一干涉滤波器(36)被设计为用于第一拉曼带(56)的带通滤波器，所述第一拉曼带能被第一接收器(41)获取。

4.根据权利要求3所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，所述第一干涉滤波器(36)被设计用于反射在所述第一拉曼带(56)之外的射束路径(27)，其中，反射的所述射束路径(27)射向所述扩展模块中的半渗透的第二干涉滤波器(37)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，所述扩展模块(30，31，32)具有至少三个接收器(36，37，38)，所述接收器各自被设计用于接收拉曼带(56，57，58)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，接收器(36，37，38)中的至少一个被设计为光电探测器(44)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，接收器(36，37，38)中的至少一个被设计成没有冷却系统。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，所述测量单元(22)被设计用于发射垂直于激励光源(24)的射束方向(26)的射束路径(27)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，激励光源(24)被设计为激光器(28)，尤其被设计为具有从350nm至550nm的中心波长的激光器(28)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，至少所述第一干涉滤波器(36)具有在中心波长(54)周围高达20nm的半宽度(55)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，半渗透的干涉滤波器(36，37，38)中的至少一个具有从350nm至555nm的中心波长。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的拉曼光度计(10)，其特征在于，所述基础模块(20)与二至六个扩展模块(30)连接。

13.一种用于借助拉曼光度计(10)测量物质样品(15)的组分(19)的方法(100)，所述方法包括以下步骤：

a)借助激励光源(24)照射所述物质样品(15)并且产生拉曼辐射(25)，并且借助间隙隔膜(49)对所述拉曼辐射(25)进行空间过滤；

b)将所述拉曼辐射(25)的射束路径(27)以光学方式引导至第一干涉滤波器(36)上；

c)使所述拉曼辐射(25)的一部分通过所述第一干涉滤波器(36)到达第一接收器(41)，所述第一接收器被设计用于获取第一拉曼带(56)；

d)在所述第一干涉滤波器(36)处将剩余的所述拉曼辐射(25)至少部分地反射至第二干涉滤波器(37)，

其中，所述第二干涉滤波器(37)被连接在第二接收器(42)的上游，所述第二接收器被设计用于获取第二拉曼带(57)，其中，所述第一接收器和/或所述第二接收器(41，42)以无冷却系统的方式运行。

14.根据权利要求13所述的方法(100)，其特征在于，所述第一拉曼带(56)和所述第二拉曼带(57)的获取基本上同时进行。

15.一种用于获取物质样品(15)的组分(19)的光谱仪系统(70)，所述光谱仪系统包括拉曼光度计(10)和与该拉曼光度计连接的评估单元(60)，其特征在于，该拉曼光度计(10)被设计为根据权利要求1至12中任一项所述的拉曼光度计。

16.一种计算机程序产品(80)，被设置用于模拟拉曼光度计(10)的运行行为，所述计算机程序产品包括物理模块，所述物理模块被设计用于模拟干涉滤波器(36，37，38)的反射行为和透射行为，其特征在于，该拉曼光度计(10)被设计为根据权利要求1至12中任一项所述的拉曼光度计。