DD142387A1 - Laser-impulsfluorimeter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Strahlungslebensdauern, des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenz und der Fluoreszenzdepolarisation luraineszierender Proben, sowie zur Bestimmung von Anregungszustandsabsorptionen und anderer Absorptionseffekte von lichtangeregten Proben. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, die gewünschten Meßwerte mit hoher Genauigkeit und hoher Nachweisempfindlichkeit auch bei nur schwach lumineszierenden Proben in einfacher Weise zu gewinnen. Das Impulsfluorimeter besteht aus einem Stickstofflaser, der bei Atmosphärendruck arbeitet und bei hoher Folgefrequenz Subnanosekundenimpulse < 500 ps emittiert, als Anregungslichtquelle oder damit gepumpten Farbstofflaser. Das Wechselwirkungsteil für Durchlicht-, Auflicht- und 90°-Beobachtung weist einen thermostatierten Küvettenhalter auf. Im Strahlengang vor der Probe sind zwei lichtelektrische Empfänger zur Gewinnung eines Trigger- und eines Referenzsignals und hinter der Probe ein lichtelektrischer Empfänger zur Gewinnung des Meßsignals angeordnet. Die Nachweiseinrichtung umfaßt einen lichtelektrischen Empfänger und einen Boxcarintegrator, der das Signal schrittweise abtastet und die zu 'einem Schritt gehörenden Abtastwerte linear aufsummiert. - Fig.1 -

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Strahlungslebensdauern s des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenz und der Fluoreszenzdepolarisation lumineszierender Proben, sowie wahlweise zur Bestimmung von Anregungszustands™ absorptionen und anderer Absorptionseffekte von lichtangeregten Proben«

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind bisher Phasenfluorimeter, bei denen die . Phasenverschiebung zwischen einer sinusförmig modulierten AnregungslichtqueMe und des Lumineszenzlichtes einer damit bestrahlten Probe gemessen wird (E.P. Resewitz und E. Lippert Ein neuartiges Phasenfluorometer Ber. Bunsenges. physik. Chem. 2§ 0974) 1227 )·

Wesentlicher Nachteil der Phasenfluorimetrie ist, daß die Form der Abklingkurve bei der Auswertung der Meßergebnisse vorgegeben werden muß. Zur Analyse von komplizierten . Abklingfunktionen wäre es erforderlich, das Spektrum der Abklingfunktion nach Amplitude und Phase (Fourier-Transformierte) über einen großen Frequenzbereich zu bestimmen, was bisher nicht realisierbar ist. Dieser Nachteil besteht nicht bei Impulsfluorimetern, bei denen die Probe mit einem möglichst kurzen Impuls erregt und die Abklingkurve des Lumineszenzlichtes direkt gemessen wird. Kommerziell angebotene Impulsfluorimeter arbeiten mit I^anosekunden-Blitzlampen und der Einzelphotonen-Zähltechnik als Wachweiseinrichtung ( A.E.W. Knight and B.K. Selinger Single Photon Decay Spectroscopy Austral. J. Chem. 2_6 (1973) 1 )·

Hier wird der Vorteil einer Lichtquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz (>l10 kHz) mit dem eines höchstempfindlichen Nachweisverfahrens kombiniert, wobei jedoch dem Verfahren infolge der sehr geringen Leistung von Blitzlampen mit kleiner Impulsbreite, ihrer großen spektralen Bandbreite, die den Einsatz von Filtern oder Monochromatoren erfordert, und ihrer nicht wesentlich unter eine Uanosekunde reduzierbaren Impulsbreite enge Grenzen gesetzt sind. Besondere Schwierigkeiten bereitet bei diesem Verfahren die Messung d.es zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenzdepolarisation, weil hier das isotrop verteilte Licht zusätzlich ein Polarisator/

Analysator-System durchlaufen nuß, das die Lichtintensität weiter schwächt= Pluoreszenzmessungen bei hohen Anregungsintensitäten im Bereich der nichtlinearen Absorption sowie Absorptionsmessungen können bei dieser Methode_s ebenso wie'bei der Phasenfluorimetrie nicht durchgeführt werden«

Der Einsatz von lichtstärkeren Lasern in Verbindung mit der Einzelphotonen-Zähltechnik ist im Prinzip möglich, insoweit inodensynchronisierte CW-Laser rait einer entsprechend hohen Impulsfolgefrequenz verwendet werden» Bei der Realisierung derartiger Fluorimeter treten jedoch große Schwierigkeiten bei der Erzeugung des notwendigen Uv-Anregungolichtes und der elektronischen Beherrschung der extrem kurzen Impulse und der sehr hohen Polgefrequenzen solcher Laser (> 100 MHz) auf_s so daß eine technisch praktikable Lösung bisher nicht bekannt wurde. Zur Messung von Strahlungslebensdauern und des zeitlichen Verlaufs von Fluoreszenzvorgängen mittels Laserlicht wurden deshalb bisher Meßanordnungen beschrieben, bei denen das Lumineszenzlicht einer Probe durch Impulslaser, zum Beispiel Pestkörperlaser auf Ruhin- oder Neodymglasbasis oder Impulsgaslaser auf Stickstoff- oder Cadmiumdampfbasis, erregt und der Verlauf der Lumineszenzabklingkurve auf einem Oszilloskop oder mit einem Boxcarintegrator dargestellt wird

(W. Becker, Dähne, Teuchner, Seliger Exp. Techn« Phys. 23, (1975) S_e 297 )· Derartige Meßanordnungen besitzen jedoch im Vergleich zur Phasenfluorimetrie oder Photonsnzähltechnik eine Reihe von Nachteilen, die ihrer Anwendung als Laserfluorimeter für Routinezwecke bisher im Wege stehen« Zvm Beispiel erfordert die Impulsbreite solcher Laser von >' 1 ns eine aufwendige mathematische Entfaltung von Anregungs- und Meßimpuls_f da die Lumincszenzlebensdauern häufig im gleichen Zeitbereich liegeru 33ie Impuls folge frequenz der Laser Deträgt in der Regel<c^ 50'Hz j so daß die bei Wiederholungsmessungen übliche Samplingtechnik nicht ohne weiteres anwendbar ist« Unveriaoidbar-3 Schwankungen der Impu.lsintensitäten bewirken ein

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ungünstiges Signal/Rausch-Verhältnis. Der getrennte Aufbau von Laser, Anregungseinheit und Nachweiselektronik ist aufwendig und schwierig zu handhaben. Absorptionsmessungen sind nur mit relativ großem Aufwand bei wesentlicher Veränderung der Meßbedingungen möglich. Alle bisher bekannten Impulsfluorimeter haben den Nachteil, daß eine Direktanzeige von Fluoreszenzlebensdauexn nicht möglich ist, da zu ihrer Ermittlung aufwendige mathematische Auswerteprozeduren mittels Computeranlagen notwendig sind

(R.K. Bauer und A. Kowalczyk TEA Nitrogen Subnanosecond Laser Optics Commun. 23. (1977) 169 ) ·

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Strahlungslebensdauern, den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz und die Fluoreszenzdepolarisation lumineszierender Proben sowie Absorptionsvorgänge bei der Fluoreszenzanregung bei Routineuntersuchungen einfach messen zu können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Impulsfluor imet er so auszugestalten, daß die gewünschten Meßwerte mit hoher Genauigkeit und hoher Nachweisempfindlichkeit auch bei nur schwach lumineszierenden Proben gemessen und direkt angezeigt werden können. Erfindungsgemäß wird hierfür zur Lumineszenzanregung mit einer Wellenlänge von 337 &m ein bei normalen Atmosphärendruck arbeitender Stickstofflaser verwendet, der im Vergleich zu bisher verwendeten Stickstofflasern eine wesentlich geringere Impulsbreite ( <Ξ. 500 ps) und eine höhere Impulsfolgefrequenz (> 100 Hz) auf Kosten einer etwas

geringeren Impulsleistung ( -^ 50 kW) besitzt«, Pur die Erzeugung längerwelliger Strahlung kann das Laserlicht zum Pumpen eines Farbstofflasers verwendet werden, dessen Licht in gleicher Weise zur Lumineszenzanregung verwendet wirde

Das Lasersystem ist unter Zwischenschaltung von zwei , Strahlungsteilern zur Entnahme eines Triggersignals und eines Referenzsignals} sowie unter wahlweiser Zwischenschaltung eines Polarisators unmittelbar mit der Anregungseinheit zur Erzeugung des Lumineszenzlichtes verbunden, wobei die Temperatur der Meßprobe zv/eckmäßigerweise mit Hilfe einer regelbaren Thermostatiereinrichtung auf der Basis von Pe!tierelementen eingestellt werden kann» Als Triggerelement kann vorteilhaft ein Avalanche-Transistor mit geöffnetem Gehäuse verwendet werden, in dem unmittelbar durch den eingestrahlten Lichtimpuls ein Avalanchedurchbruch ausgelöst wird. Der Transistor übernimmt durch diese Wirkungsweise gleichzeitig die Punktion eines Lichtempfängers, Verstärkers» Diskriminators und Impulsformers» Dadurch wird gegenüber einer Photodiode eine weit höhere Empfindlichkeit und gegenüber einem Phototransistor eine viel geringere Signalverzögerung (<i 1 ns) sowie eine kürzere Anstiegszeit der Impulse ( <f 1 ns) erreicht*

Weitere Vorteile sind die hohen erreichbaren Ausgangsströme und Spannungen (p" 0,4 A bzw. P?- 20 V), eine definierte Triggerschwelles die von der Form des Lichtimpulses unabhängige Form des Ausgangsimpulses» sowie eine im Vergleich zu bekannten Vakuum-Photoempfängern wesentlich geringere Versorgungsspannung von 80 ... 150 V statt einigen Kilovolt«

Das vom Laserlicht erzeugte Lumineszenzlicht fällt nach Passieren eines Filters definierter Durchlässigkeit zur Abtrennung des Laseranregungslichtes und wahlweise eines Analysator^ bei Polarisationsmeseungen vorzugsweise auf eine verstärkende Avalanche-Photodiode oder wahlweise

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einen Sekundärelektronenvervielfacher (SEV), wo es in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und als Meßsignal zur Verfügung steht. Die Photodiode hat dabei den Vorteil der Kleinheit und geringer Versorgungsspannung sowie einer s*ehr breiten spektralen Empfindlichkeit, .der SEV dagegen den Vorteil einer höheren Nachweisempfindlichkeit·

Zur Messung des Referenzsignals wird entweder eine Photodiode mit großer Empfängerfläche verwendet, die das Laserlicht integral unter Ausmittelung örtlicher Intensitätsschwankungen registriert und deren Ausgangsstrom zur Ansteuerung der Uachweiselektronik ohne die sonst bei Photozellen oder Sekundärelektronenvervielfachern erforderliche, zusätzliche Hochspannungs-Stromversorgung ausreicht, oder es wird das über das Meßsignal zugängliche Integral über den gesamten Lumineszenzimpuls verwendet, wobei gleichzeitig die Schwankungen der Laserleistung und alle Veränderungen der Intensität erfaßt werden, die im optischen Aufbau und in der Probe selbst entstehen. V/ird als Empfänger ein SEV verwendet, so erhält man außerdem eine zusätzliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, da sich durch die Korrelation zwischen dem Rauschen am jeweils abgetasteten Punkt und aem Rauschen des als Vergleichssignal dienenden Integrals das Schrotrauschen des SEV bei der nachfolgenden Verhältnisbildung zum Teil heraushebt.

Die vom Photoempfänger, vom Triggerelement und vom Referenzkanal kommenden Signale werden einem speziellen Boxcarintegrator zugeführt, der in der Lage sein muß, das vom Photοempfanger kommende Signal mit einer Abtastschaltung mit geringer Torbreite abzutasten, aus zu gleichen Zeitpunkten gehörenden, in aufeinanderfolgenden Signalperioden gewonnenen Abtastwerten zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses Mittelwerte zu bilden und durch •.schrittweise Verschiebung des Abtastpunktes in bezug auf den vom Triggerelement kommenden Impuls punktweise den

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zeitlichen Verlauf des Signales zu rekonstruieren^ Zur Ausschaltung störender Schwankungen der Laserleistung und damit der Amplitude des vom Photoempfänger gelieferten Signales wird eine Verhältnisbildung der durch die Abtastung und Mittelung gewonnenen Meßwerte und der in gleicher Weise gemittelten Werte des Signales im Referenzkanal vorgenommen. Die vom Boxcarintegrator verarbeiteten Signale werden anschließend einem x, y-Schreiber zugeführt_s der die Abklingkurve registriert. Bei Verwendung von Photodioden mit einer Zeitauflösung < 500 ps als Empfänger kann die Strahlungslebensdauer als die Zeit_s bei der das Meßsignal auf den /e-ten Teil des Anfangswertes abgesunken ist_s der Abklingkurve direkt entnommen werden. Gleichzeitig kann die Abklingzeit direkt angezeigt v/erden. Möglich ist das z« B₆ durch eine elektronische Schaltung, die das Maximum der vom Boxcarintegrator ausgegebenen Abklingkurve durch eine Spitzenwertgleichrichtung speichert und mit Hilfe eines !Comparators die Zeit bzw* die Anzahl von Abtastschritten bis zum Abfall auf den /e-ten Teil des Maximums bestimmt. Eine besonders einfache Möglichkeit zur Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer ergibt sich bei Anwendung der Methode der Verhältnisbildung zwischen dem jeweiligen Meßwert und dem Integral über den gesamten vom Empfänger E gelieferten Impulse Unter der Voraussetzung, daß die Anregungsimpulse im Vergleich zur Fluoreszenzlebensdauer um einen Faktor ^z. 0_s2 kürzer sind und daß es sich um einfache exponentiell Abklingvorgänge handelt, ist die Höhe des Maximums der gemessenen Fluoreszenzabklingkurve umgekehrt proportional zur Fluoreszenzlebensdauer der Probe j so daß sich diese unmittelbar aus der Höhe des Maximums ergibt und direkt angezeigt werden kanru

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anschließend anhand des in der zugehörigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden

Es zeigen

Fig. 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laser- Impulsfluorimeters_/ Pig. 2: den Schnitt A-A nach Pig. 1 .

Der Hochdruckstickstofflaser L, in der Figur ist die Schnittansicht senkrecht zur optischen Achse dargestellt, besteht aus einem 12 cm langen, offenen Laserrohr mit Elektrodenabständen von ca 1 mm, das durch die Öffnungen ständig mit Stickstoffgas unter Atmosphärendruck durchspült wird. Die Betriebsspannung beträgt etwa 8-9 kV. Die Triggerung erfolgt über eine Funkenstrecke, die durch eine Thyristorzündung gezündet wird. Die Folgefrequenz ist zwischen 1 Hz und 0,5 kHz einstellbar.

Der Laser besitzt mit £: 30 kW Ausgangsleistung bei 337 nra und >► 50 Hz Folgefrequenz im Vergleich zu Blitzlampen eine wesentlich höhere mittlere Leistung, die wegen seiner partiellen Eigenpolarisation auch bei Zwischenschaltung eines Polarisators/Analysator-Systems nicht wesentlich vermindert wird. Sein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu bisher verwendeten Uiederdruckgaslasern ist die wesentlich geringere Impulsbreite von -^l 500 ps, die auch durch Büfcälampen unerreichbar ist, sowie eine im Dauerbetrieb mögliche, höhere Impulsfolgefrequenz von P* 100 Hz. Zur Variation des Spektralbereichs des Anregungslichtes kann das vom Laser abgegebene Licht wahlweise eine 1,0 mm dicke Küvette passieren, die bei Einsatz einer Farbstofflösung als aktives Farbstofflasermedium wirkt. Bei Verwendung der von Farbstofflasern her bekannten aktiven Materialien ist auf diese Weise eine Frequenzvariation zwischen 400 und 800 mn möglich.

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Dae Lasersystem L ist direkt mit dem Wechselwirkungs« teil V/ verbunden. Ein IMeutralfiltersatz P- dient zur Intensitätsabschwächung des Lasers zur Erreichung des linearen Meßbereiches der Meßanordnung. Im Anschluß daran sind Strahlungsteiler S-, Sp in Form zweier einfacher Quarzplatten zwischengeschaltet und die Möglichkeit zum Einsetzen eines Polarisators P vorgesehen« Letzterer wird zur Vermeidung von Lichtverlusten zweckmäßigerweise in seiner Polarisationsrichtung parallel zur Eigenpolarisation des Laserlichtes eingestellt. Die von den Strahlungsteilern S- und Sp kommenden Lichtanteile fallen auf das Triggerelement T bzw» die Photodiode R mit großer Empfängerfläche_s die zur Registrierung des Referenzsignales diente

Als Triggerelement wird ein im Avalanchebetrieb arbeitender Transistor bei geöffnetem Gehäuse und entsprechender Schaltung verwendet, der die Punktionen eines Licht·" empfangers9 Verstärkers, Diskriminator und Impulsformers in sich vereinigt«

Als Photodiode R wird zum Beispiel ein . als Solarzelle bekannter Typ verwendet, dessen Ausgangsstrom bei Lichteinstrahlung bereits ohne eine eigene Stromversorgung groß genug ist» um ein der Lichtintensität des Lasers L proportionales Signal zu liefern, das dem Referenzkanal des Boxcarintegrators BCI zugeführt wird und dort zur Verhältnisbildung zwischen dem integrierten Meßsignal, geteilt durch das integrierte Referenzsignal, verwendet wird. Auf diese Weise werden Intensitätsschwankungen des Lasers, die eine proportionale Schwankung des Lumineszenzlichtes bewirken, eliminiert«

Der Hauptanteil des Laser-lichtes fällt nach Passieren der Strahlungsteiler S- , Sp auf die in einer Küvette K befindliche luniineszierende Probe, die als Festkörper, Pulver oder in Form von Lösungen vorliegen kann, wobei Lösungen mit geringer Absorption (optische Dichte i~~ 0,1)

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in Küvetten rechtwinklig zur Laserstrahlung angeordnet sind, während optisch .dichte Lösungen und Festkörper mit ihrer Frontfläche/einem Winkel von 30° zur Richtung der Laserstrahlung justiert sind.

Die Temperatur der Probe wird.dabei im Bereich zwischen 273 bis 323 K mit Hilfe des temperaturstabilisierten Küvettenhalters TSK konstant gehalten, dessen Temperatur unter Verwendung von Peltierelementen automatisch eingestellt und geregelt werden kann. Im Bedarfsfall kann anstelle des Küvettenhalters ein Kryostat zur Erreichung tieferer oder höherer Temperaturen eingesetzt werden. Das auf die Probe in der Küvette K fallende Laserlicht erzeugt in dieser in bekannter Weise das spektral nach längeren Wellen verschobene Lumineszenzlicht. Dieses Licht wird im rechten bzw. 30°-Winkel zur Richtung des Laserlichtes von einer als Empfänger dienenden Photodiode Ε., registriert, wobei durch Zwischenschaltung eines spektralen Kantenfilters Fp das vom Laser kommende Streulicht abgetrennt und wahlweise ein Analysator A eingesetzt wird, der parallel und senkrecht zur Polarisationsrichtung des Polarisators P justierbar ist.

Eine wahlweise Messung von Absorptionsvorgängen wird durch einen zweiten Empfänger E^ ermöglicht, der innerhalb des Laserstrahles hinter der Probe K angeordnet ist, wobei zur Abtrennung des in der Probe erzeugten Fluoreszenzlichtes ein Filter F~ mit geeigneter spektraler Durchlässigkeit zwischengeschaltet ist. Die Verwendung von Photodioden als Empfänger im Vergleich zu den bei anderen Fluorimetern üblichen SEV hat neben ihrer wesentlich höheren Zeitauflösung den Vorteil einer breiteren spektralen Empfindlichkeit, insbesondere bis weit in den infraroten Spektralbereich hinein.

Die Signale vom Triggerelement T, von der Photodiode R, des Referenzkanals und von dem Empfänger E. oder wahlweise Eo werden schließlich einem Boxcarintegrator BCI zugeführt, der das Signal durch eine Abtastschaltung mit einer gegen

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die Signaldauer kurzen Torbreite (Größenordnung 100 ps) abtastet«, Der Abtastzeitpunkt wird schrittweise über das Signal geschoben, wobei in jedem Schritt die in mehreren aufeinanderfolgenden Signalperioden gewonnenen Abtastwerte dieses Zeitpunktes zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses addiert werden» Man erhält dadurch punktweise 6.en zeitlichen Verlauf des Empfängersignales_$ d.ho der Lumineszenzabklingkurve mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis. Zusätzlich werden die durch Schwankungen der Laserleistung erzeugten Schwankungen der Amplitude des Meßsignales eliminiert, indem bei jedem Abtastschritt das Verhältnis zwischen dem Meßsignal und dem Referenzsignal'gebildet wird. Als Referenzsignal wird vorteilhaft das Integral über den gesamten vom Empfänger E^ oder E₂ gelieferten Impuls verwendet, wodurch die Intensitätsschwankungen der Anregungslichtquelle . einschließlich der Veränderungen im optischen Aufbau und in der Probe erfaßt werden« Soweit die zu messenden Fluoreszenzlebensdauern T'«^' 2 ns betragen, können sie bei einfach exponentiellen Abklingvorgängen direkt aus dem Maximum der Lumineszenzabkling™ kurve nach folgenden Gleichungen bestimmt werden:

- 1

Kt) = I₀ e

I(t)dt = I₀ Je

= I₀ Je

_ 4-

.-i₀ te

i(t)dt = ι r

/i (t) t

- ¹²- 21 1 61 9

wobei I(t) die gemessene Lichtintensität beim Zeitpunkt: t bedeutet. Das Maximum der gemessenen Intensität I(t)/y I(t) ist danach beim Zeitpunkt t = 0 gleich dem Reziprokwert der Fluoreszenzlebensdauer X . Eine Messung der gesamten Kurve erübrigt sich dann. Unabhängig davon kann der zeitliche Verlauf der Fluoreszenz mit dem Empfänger E^ bzw. der Absorption während der Fluoreszenzanregung mit dem Empfänger Ep in der oben beschriebenen Weise gemessen und auf einem Schreiber oder anderem Datenträger dargestellt werden. Der zeitliche Verlauf der Fluoreszenzdepolarisation ergibt sich aus zwei Meßvorgängen nach Einsetzen des Polarisators P und Analysators A, indem die Intensitätsfunktion des einmal parallel und einmal senkrecht zueinander stehenden Polarisators und Analysators bestimmt werden.

Fall zu:

- t

Die Fluoreszenzlebensdauer Y errechnet sich in diesem

I₁₁ + 2 I j^ = I₀

Die Fluoreszenzpolarisation P stellt eine Faltung der Fluoreszenzabklingfunktion mit der Geschwindigkeit konstanten kj,-, und der Depolarisationsfunktion mit der Geschwindigkeitskonstanten der Orientierungsrelaxation k dar, so daß aus

I„(t) - I_xCt) ' -^(kFl ^{+ k}or^} * ) ° ^r°

I„(t) + 2 I_x

r_Q - Anfangsanisotropie)

den Meßwerten I₁,(ti und Ij.(t) die Orientierungsrelaxationszeit ^_or = ττ— bestimmt werden kann.

Wesentlicher Vorteil des neuen Fluorineters im Vergleich au Phasenfluorimetern ist die Möglichkeit zur Messung von Lmninesz.enzabklingvorgängen, die durch Überlagerung. von zwei oder mehreren photophysika.lischen Effekten entstehen und demzufolge nicht einfach exponentieller Matur.sind_e Im Vergleich zu Impulsfluorimetern nach der Einzelphotonen-Zähltechnik wirkt sich die gegenüber ns~Blitzlampen mindestens 10^ mal höhere mittlere Leistung des verwendeten Lasersystems vorteilhaft aus» Bei gleicher Meßzeit werden mehr Photonen als bei einem Pluorimeter nach der Einzelphotonen-Zählmethode registriert. Dadurch wird die Meßgenauigkeit wesentlich erhöht und geringe Unterschiede in den Meßkurven können besser erfaßt werden^ so daß auch Pluoreszenzdepolarisationsmessungen mit hoher Präzision durchgeführt werden können» Eine weitere wesentliche Steigerung der Meßgenauigkeit wird durch Verwendung von Anregungs~ und Nachweissystemen mit einer Zeitauflösung_s die kleiner als die Zeitkonstanten der zu untersuchenden Prozesse ist, erreicht. Dadurch werden in der Regel die bisher notwendigen numerischen Entfaltungsprozeduren zwischen den Zeitfunktionen von Meßeinrichtung und Untersuchungsobjekt weitgehend überflüssig» Ein ebenfalls wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Laeer-Impulsfluorimeters im Vergleich zu anderen impulsfluorimetrischen Meßanordnungen ist der einfache und rationelle Meßaufbau unter Verwendung von Bauelementen_s wie des Triggerelements auf Transistorbasis, der großflächigen Photodioc-.en für Referenzmessungen und der Tempera turötabilisierung auf Peltierelementbasia, die bisher in der Lumineszenzspektroskopie nicht bekannt waren. Routinemessungen unter Verwendung von Lasern werden damit überhaupt erst möglich.

Schließlich können mit dem Laser-Impulsfluorimeter . Fluoreszenzüiessungen bei hohen .Anregungsintensitäten im Bereich der nichtlinearen Absorption sowie wahlweise Absorptionsmessungen im Anregungszustand durchgeführt werden_s wodurch sich seine Anwendurigsmöglichkeiten wesentlich erweitern.

Claims (3)

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   Erfindungsanspruch

   1. Laser-Impulsfluorimeter mit einem Stickstofflaser als Anregungslichtquelle oder wahlweise damit gepumpten Farbstofflaser, einem Wechselwirkungsteil für Durchlicht-, Auflicht- und 90°-Beobachtung und einer Nachweiseinrichtung, bestehend aus einem lichtelektrischen Empfänger und einem Boxcarintegrator, gekennzeichnet dadurch, daß der Stickstofflaser bei Atmosphärendruck arbeitet und bei hoher Folgefrequenz SubnanoSekundenimpulse ^z 500 ps emittiert, daß der Küvettenhalter des Wechselwirkungsteils thermostatiert ist und im Strahlengang vor der Probe zwei lichtelektrische Empfänger zur Gewinnung eines Trigger- und eines Referenzsignals angeordnet sind und hinter der Probe ein lichtelektrischer Empfänger zur Gewinnung des Meßsignals angeordnet ist und daß der Boxcarintegrator das Signal schrittweise abtastet und die zu einem Schritt gehörenden Abtastwerte linear aufsummiert.
2. 2. Laser-Impulsfluorimeter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Thermostatierung des Küvettenhalters im Temperaturbereich von 273 bis 323 K Peltierelemente mit einem elektrischen Regelkreis eingesetzt sind.

   Laser-Impulsfluorimeter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Thermostatierung des Küvettenhalters im Temperaturbereich von 73 bis 473 K ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter und beheizbarer Vakuumkryostat mit einem elektrischen Regelkreis eingesetzt ist«

   A 4 ί I

   4ο Laser-Impulsfluorimeter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Gewinnung des Triggersignals ein Transistor eingesetzt ist, bei dem durch Lichteinfall ein Avalanchedurchbruch auogelöst wird.

   5β Laser-Impulsfluorimeter nach Punkt 1, gekennzeichnet . dadurch, daß zur Gewinnung- des Meßsignals eine Halbleiter—Photodiode eingesetzt ist, deren Impulsantwort kürzer als die Impulsdauer des Stickstofflasers ist«

   Laser-Impulsfluorimeter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurchj daß das Meßsignal gleichzeitig den Eingängen von zwei Kanälen des Boxcarintegrators zugeführt wird, wobei die Torbreite des ersten Kanals kleiner als die Impulsbreite des Lasers ist und die Torbreite des zweiten Kanals die gesamte Impulsbreite des Meßsignals überdeckt, und daß im Boxcarintegrator eine Verhältnisbildung der durch die Abtastung und Mittelung gewonnenen Werte des Meßsignals und der in gleicher Weise gemittelten Werte des Signals im Referenskanal vorgenommen wird*

   Laser-Ispulsfluorimeter nach Funkt 1, gekennzeichnet dadurch; daß zur direkten Anzeige der Abklingzeit das Maximum der vom Boxcarintegrator ausgegebenen Abklingkurve durch eine Spitzenwertgleiehrichtung gespeichert und mittels eines Komparators die Zeit bzw* die Anzahl von Abtastschritten bis zum Abfall unter den '/e-ten Teil des Maximums bestimmt wird·

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3. 8. Laser-Impulsfluorimeter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur direkten Anzeige der Fluoreszenzlebensdauer eine Verhältnisbildung zwischen dem jeweiligen Meßwert und dem Integral über den gesamten vom lichtelektrischen Empfänger gelieferten Impuls vorgenommen wird.

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