DE102004045902A1

DE102004045902A1 - ATR-Sensorelement

Info

Publication number: DE102004045902A1
Application number: DE102004045902A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Konz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: DE102004045902B4; WO2006032496A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein ATR-Sensorelement für die Spektroskopie einer Probe mit einer sensorischen Schicht aus einem hoch brechenden, für das Messlicht transparenten, das Messlicht durch Totalreflexion leitenden Material, die mit der Probe in Kontakt gebracht wird, wobei die sensorische Schicht auf einer ersten Schicht als Substratschicht angeordnet ist, wobei die erste Substratschicht aus einem für das Messlicht transparenten Material mit einem Brechungsindex besteht, der kleiner als der Brechungsindex der sensorischen Schicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein ATR-Sensorelement (ATR = Attenuated Total Internal Reflectance – abgeschwächte Totalreflexion). Derartige RTR-Sensorelemente finden in einem weiten Bereich der Analytik, Prozesskontrolle, Spektroskopie und dergleichen Anwendung. Sie werden u.a. verwendet, um in Verbindung mit einem Spektrometer Absorptionsmessungen in Materialien durchzuführen, um Inhaltsstoffe in diesen Materialien qualitativ und quantitativ nachzuweisen.

Grundlegendes Prinzip von ATR-Sensorelementen ist die Führung eines Lichtstrahls innerhalb eines für dieses Licht transparenten Materials durch Totalreflexion an den Wänden des lichtführenden Materials. An diesen Wänden erstreckt sich nun ein evaneszentes Feld in das benachbarte Material, beispielsweise einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas. Wird das Licht des evaneszenten Feldes dort absorbiert, so ergibt sich eine Abschwächung des total reflektierten, intern in dem Sensor geleiteten Lichts, die erfasst werden kann. Vorteilhaft daran ist insbesondere, dass das evaneszente Feld nur eine geringe Eindringtiefe in das zu untersuchende Material aufweist.

Derzeit in der Spektroskopie eingesetzte ATR-Elemente bestehen aus einem einheitlichen optischen Material. Bedingt durch Fertigungsprozesse haben derzeitige ATR-Elemente Dicken von 2 mm und mehr. Durch die Dicke wird die Anzahl der Reflexionsstellen pro Länge des Elementes in Durchstrahlungsrichtung vorgegeben. Da eine minimale Zahl von Reflexionsstelle zur effektiven Erzeugung des evaneszenten Feldes erforderlich ist, kann aufgrund der herstellungsbedingten minimalen Dicke die Baulänge des Sensors nicht weiter verkürzt werden. Durch eine geringere Dicke würde sich jedoch die Zahl der Reflexionsstellen erhöhen und die Länge des Sensorelementes könnte verkürzt werden. Eine geringere Dicke führt darüberhinaus zu einer höheren Empfindlichkeit des Sensorelementes.

Weiterer Nachteil bei den herkömmlichen ATR-Sensorelementen ist, dass das eingespeiste Licht sich aufgrund der großen Dicke des Sensorelementes über eine relativ große Austrittsfläche verteilt. Dieses kann nicht vollständig in den Eintrittsspalt eines Spektrometers eingekoppelt werden, so dass ein großer Teil der Strahlung verloren geht. Somit entstehen hohe Strahlungsverluste.

Die vorliegende Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, ein ATR-Element zur Verfügung zu stellen, mit dem Licht effizienter in das ATR-Element eingekoppelt werden kann, eine höhere Nachweisempfindlich keit erzielt wird und der Lichtverlust an der Austrittsapertur minimiert wird.

Diese Aufgabe wird durch das ATR-Sensorelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des ATR-Sensorelementes werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf der Oberseite und ggf. auf der Unterseite einer Schicht aus einem für das Messlicht transparenten Material mit einer bestimmten Brechzahl eine höherbrechende, transparente Schicht aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Abscheiden, Diffusion oder mechanisches Fügen erfolgen. Die aufgebrachten Schichten besitzen dabei vorteilhafterweise eine geringere Dichte als das Substratmaterial. Die niedrig brechende, deutlich dickere Substratschicht dient der Einkopplung von Licht, beispielsweise Infrarotlicht, aus einer Strahlungsquelle in das ATR-Element. An der Grenzfläche zwischen dieser Substratschicht und der höher brechenden Schicht wird das Licht von der Substratschicht in die höher brechende Schicht eingekoppelt und dann dort durch Totalreflexion in dieser dünnen transparenten und höher brechenden Schicht geführt. Diese dient also der konzentrierten Lichtführung und bildet auf ihrer Austrittsseite einen sehr dünnen Eingangsspalt für das Spektrometer. Dadurch kann ein erheblich größerer Anteil, ggf. sogar die gesamte eingekoppelte Strahlung in der Schicht geführt und in das Spektrometer eingespeist werden. Eine optionale zweite, höher brechende Schicht auf der gegenüberliegenden Seite der Substratschicht kann als Referenzschicht genutzt werden, da in diese der bei der erstmaligen Reflexion des Strahles beim Übertritt von der Substratschicht in die auf der Oberseite auf gebrachte Schicht reflektierte Anteil des Lichts eingekoppelt wird. Da diese auf der Unterseite angebrachte Schicht nicht mit dem zu messenden Material in Kontakt gebracht wird, kann diese auf der Unterseite angebrachte Schicht als Referenzschicht verwendet werden, um einen gleich bleibenden Referenzstrahl zu erzeugen.

Gegenüber dem Stand der Technik verbessert die vorliegende Erfindung die Einkopplung von Strahlung in das ATR-Sensorelement. Durch Führung der Strahlung in einer dünnen, beispielsweise abgeschiedenen lichtleitenden höher brechenden Schicht wird die Anzahl der Reflexion pro Länge erhöht und dadurch entweder die Sensitivität des Sensors erhöht oder es kann die Länge des Sensors verkürzt werden. Vorteilhafterweise wird hier dann auch das gesamte bzw. nahezu das gesamte eingekoppelte Licht (bis auf die Reflexionsverluste) über eine schmale Austrittsfläche ausgekoppelt, die gleichzeitig als Eintrittsspalt in ein Spektrometer dienen kann. Dadurch werden Einspeiseverluste in das Spektrometer vermieden. Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine optimale, effiziente Lichteinkopplung in das ATR-Sensorelement, da die niedrig brechende Schicht eine große Dicke aufweisen kann, so dass die Einkoppelfläche groß gestaltet und damit die Strahlung eines Glühstrahlers optimal in das Sensorelement eingekoppelt werden kann.

Im folgenden werden zwei Beispiele erfindungsgemäßer ATR-Sensorelemente beschrieben.
Es zeigen
1 ein ATR-Sensorelement und
2 ein weiteres ATR-Sensorelement.
Im folgenden werden für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine erste Schicht 1 als Substratschicht, die einen bestimmten Brechungsindex aufweist und für Licht 4 transparent ist. Sie weist an ihrer einen Stirnseite eine Eintrittsfläche 5 auf, über die in sie das Licht eingekoppelt werden kann. Dazu kann diese Eintrittsfläche 5 derart angeschrägt sein, dass das Licht 4 senkrecht auf die Eintrittsfläche 5 auftrifft und anschließend die erste Schicht 1 als Substratschicht durchläuft.
Auf der Substratschicht 1 ist eine sensorische Schicht 2 aufgebracht, die einen höheren Brechungsindex als die Substratschicht 1 aufweist. Die sensorische Schicht 2 ist ebenfalls für das Licht 4 bzw. für Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge transparent. Die sensorische Schicht 2 ist dünner als die Substratschicht 1, wobei hier Schichtdicken für die Substratschicht 1 zwischen 0,5 mm und 5 mm und zwischen 0,1 mm und 5 mm für die sensorische Schicht bzw. die zweite Schicht bevorzugt verwendet werden.
Das Licht 4 trifft nun auf die Grenzfläche zwischen den Schichten 1 und 2 und koppelt in die sensorische Schicht 2 ein. Dort wird es aufgrund von interner Totalreflexion bis zu der Austrittsfläche 6 der sensorischen Schicht 2 geleitet. Diese Austrittsfläche 6 bildet zugleich den Eintrittsspalt für ein nachfolgendes, hier nicht dargestelltes Spektrometer.
Die sensorische Schicht 2 weist eine der Substratschicht 1 gegenüberliegende Oberfläche 8 auf, an der das Licht 4 ebenfalls total reflektiert wird. Die Oberfläche 8 wird nun mit dem zu vermessenden Material in Kontakt gebracht. In dieses Material tritt an jeder Stelle der Totalreflexion ein evaneszentes Feld ein und wird ggf. abgeschwächt. Auf diese Weise wird auch der in Totalreflexion geführte Lichtstrahl 4 innerhalb der Schicht 2 abgeschwächt. Diese Abschwächung kann dann im Spektrometer erfasst und ausgewertet werden.
2 zeigt ein ähnliches Sensorelement wie 1. Allerdings ist auf der der Schicht 2 gegenüberliegenden Oberfläche der Substratschicht 1 eine weitere Referenzschicht 3 aufgebracht, die ebenfalls für das Licht 4 transparent ist. Der Lichtstrahl 4 wird nun beim Übertritt von der Schicht 1 in die Schicht 2 zu einem geringen Prozentsatz auch reflektiert. Dieser reflektierte Lichtstrahl 4b tritt nun in die Referenzschicht 3 über, in der er aufgrund des höheren Brechungsindexes der Schicht 3 durch Totalreflexion geführt wird. Da die Oberfläche der Schicht 3 nicht dem zu vermessenden Material ausgesetzt ist, dient das Licht 4b, das in der Schicht 3 geführt wird, als Referenzlicht. Es tritt an der Endfläche 7 aus der Schicht 3 aus. Diese Endfläche 7 kann ebenfalls den Eintrittsspalt eines Spektrometers bilden.
Aufgrund der sehr dünnen transparenten, lichtleitenden Schichten 2 und 3 können die Endflächen bzw. Spalte 6 und 7 ausreichend klein bzw. schmal gemacht werden, um Einkoppelverluste in das Spektrometer zu verringern bzw. vollständig zu vermeiden. Das gesamte eingekoppelte Licht (bis auf Reflexionsverluste) wird über die beiden Austrittsflächen 6 und 7 ohne Verlust in das Spektrometer bzw. in die Spektrometer eingespeist.

Claims

ATR-Sensorelement für die Spektroskopie einer Probe mit einer sensorischen Schicht aus einem hochbrechenden, für das Messlicht transparenten, das Messlicht durch Totalreflexion leitenden Material, die mit der Probe in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, die sensorische Schicht auf einer ersten Schicht als Substratschicht angeordnet ist, wobei die erste Substratschicht aus einem für das Messlicht transparenten Material mit einem Brechungsindex besteht, der kleiner als der Brechungsindex der sensorischen Schicht ist.
ATR-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messlicht in die erste Schicht einkoppelbar ist.
ATR-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der sensorischen Schicht abgewandten Seite der ersten Schicht eine zweite Schicht aus einem für das Messlicht transparenten Material mit einem Brechungsindex angeordnet ist, der höher ist als der Brechungsindex der ersten Schicht.
ATR-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorische Schicht und/oder die zweite Schicht eine senkrecht zur Schichtebene bestimmte Dicke d2 aufweisen, die geringer bzw. wesentlich geringer ist als die Dicke d1 der ersten Schicht.
ATR-Sensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass d2 < d1, vorteilhafterweise 0,1 d1 ≤ d2 ≤ 0,5 d1, vorteilhafterweise d2 < 0,1 d1.
ATR-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d1 der ersten Schicht 0,5 mm bis 5 mm beträgt.
Vorrichtung zur Messung der Lichtabsorption einer Probe mit einer Messlichtquelle und einem Spektralapparat zur Analyse eines von der Messlichtquelle erzeugten Messlichtstrahls sowie einem ATR-Sensorelement, das zwischen der Messlichtquelle und dem Spektralapparat derart angeordnet ist, dass der von der Messlichtquelle erzeugte Messlichtstrahl das ATR-Sensorelement durchlaufen und in den Spektralapparat eintreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Sensorelement gemäß einem der vorliegenden Ansprüche ausgebildet und derart angeordnet ist, dass die Austrittsflächen des ATR-Sensorelements den Eingangsspalt des Spektralapparates bildet.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ATR-Sensorelement und dem Spektralapparat kein weiterer Eingangsspalt angeordnet ist.
Verfahren zur Messung der Lichtabsorption einer Probe, dadurch gekennzeichet, dass die Probe mit der freien Oberfläche einer sensorischen Schicht eines ATR-Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Kontakt gebracht wird, in die erste Schicht des ATR-Sensorelementes Licht eingestrahlt wird und die Intensität des aus der sensorischen Schicht ausgekoppelten Lichts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des aus der zweiten Schicht ausgekoppelten Lichts als Referenzwert bestimmt wird.