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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eines Standards als Lumineszenzstandard
für die
Charakterisierung der Langzeitstabilität von Lumineszenzsystemen.
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Die
Ergebnisse von Lumineszenzmessungen beinhalten neben den gewünschten
Messdaten der Analyse auch geräteabhängige Beiträge, die
eine Vergleichbarkeit von Lumineszenzmessdaten über Geräte- und Laborgrenzen sowie
eine Langzeitvergleichbarkeit sehr erschweren oder nahezu unmöglich machen.
Für die
Ver gleichbarkeit von Lumineszenzmessdaten im Spektralbereich, der
von UV bis NIR (naher Infrarotbereich) reicht, ist eine Standardisierung
der spektralen Parameter und der Sensitivitätsparameter von Lumineszenzmesssystemen
notwendig. Darüber
hinaus müssen
typischerweise die Wellenlängenrichtigkeit
und die Linearität
der Detektionssysteme überprüft werden.
Zur Lösung
dieses Problems sind definierte Referenzsysteme wie zum Beispiel
Lumineszenzstandards erforderlich. Die Standardisierung der spektralen
Charakteristika von Lumineszenzmesssystemen kann dabei unabhängig von
der Standardisierung der Sensitivitätsparameter erfolgen, die entweder
Lumineszenzintensitätsstandards
oder absolute Messungen der Lumineszenzintensität bzw. der Lumineszenzquantenausbeute
erfordert. Alternativ zu physikalischen Transferstandards wie zum
Beispiel Empfängernormalen
zur Ermittlung der Wellenlängenabhängigkeit
der spektralen Beleuchtungsstärke des
Anregungskanals von Standardlampen bzw. Strahldichtenormalen zur
Ermittlung der Wellenlängenabhängigkeit
der spektralen Empfindlichkeit des Emissionskanals, können zur
spektralen Charakterisierung von Lumineszenzmesssystemen auch chemische
Transfernormale bzw. so genannte Lumineszenzstandards eingesetzt
werden.
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Neben
spektralen Standards und Intensitätsstandards sind einfach handhabbare
und möglichst
langzeitstabile Standards für
die Charakterisierung und Überprüfung der
Wellenlängenrichtigkeit,
zur Charakterisierung der Day-To-Day-Performance und zur Erfassung
der Gerätealterung
(spektrale Effekte und Sensitivität) notwendig. Zu den Anforderungen,
die Standards zur Referenzierung von Lumineszenzsignalen (im Folgenden "Lumineszenzstandards") gestellt werden,
gehören,
je nach dem speziellen Anwendungsgebiet unter anderem
- – je
nach Zusammensetzung Lumineszenz im UV- bis NIR-Spektralbereich,
- – für spektrale
Standards möglichst
breite, unstrukturierte Lumineszenzspektren,
- – eine
hohe und bekannte Reinheit,
- – eine
möglichst
geringe Überlappung
zwischen Absorptions- und
Emissionsspektren,
- – eine
wellenlängenunabhängige Quantenausbeute
der Lumineszenz (im für
die Gerätecharakterisierung verwendeten
Spektralbereich),
- – eine
isotrope Emission,
- – eine
geringe Variation der Intensität
an einer statistisch relevanten Anzahl von Messpunkten, d. h. eine hohe
Homogenität,
- – eine
möglichst
geringe und/oder bekannte Temperaturabhängigkeit der Lumineszenz im
relevanten Bereich der Umgebungstemperatur,
- – Lumineszenzlebensdauern
im Bereich von Nanosekunden, Mikrosekunden oder Millisekunden (für Lebensdauerstandards),
- – möglichst
viele schmale Banden im UV- bis NIR-Spektralbereich (für Wellenlängenstandards, Day-To-Day-Performance, Langzeitstabilität, Intensitätsstandards),
- – eine
bekannte und hinreichende Langzeitstabilität (thermisch und photochemisch),
- – eine
hohe Reproduzierbarkeit bei „Single
Use-Standards",
- – eine
Möglichkeit
zur Messung von Probe- und Transferstandard unter identischen Messbedingungen (zum
Beispiel auch identische Messparameter und Messgeometrie, Probenformate,
wie Küvette,
Slide, Mikrotiterplatte), bei vergleichbaren Signalintensitäten/Photonenzählraten,
mit möglichst ähnlichen
Emissionscharakteristika.
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Um
Lumineszenzeigenschaften, die im Allgemeinen in willkürlichen
und relativen Einheiten gemessen werden, vergleichbar zu machen,
sind im Stand der Technik Lumineszenzstandards bekannt geworden,
die jedoch vielfach nicht eine ausreichende Langzeitstabilität, Homogenität oder Isotropie
aufweisen oder die giftige oder umweltschädliche Materialien, wie etwa
Cadmium oder Uran enthalten.
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So
ist etwa aus der
US-A-4302678 ein
Standard zur Kalibrierung eines im UV-Bereich scannenden Systems
bekannt, das zur Detektion von Oberflächenfehlern an Werkstücken verwendet
wird. Der Standard besteht aus einem gelben Kalium-Borosilikatglas,
das Uranoxid enthält.
Die Verwendung von Uranoxid wird wegen der damit zusammenhängenden
notwendigen Sicherheitsmaßnahmen
und Umweltschutzproblematik als nachteilig angesehen. Darüber hinaus
weist ein derartiger Standard nicht die notwendige Photostabilität und Langzeitstabilität auf.
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Aus
der
WO-A-0106227 sind
Standards zur Referenzierung von Fluoreszenzsignalen bekannt, die Sol-Gel-Gläser, andere
Gläser
oder Polymere aufweisen, in denen lumineszierende Mikro- oder Nanopartikel aufgenommen
sind. Es handelt sich hierbei insbesondere um lumineszierende Nanopartikel
aus Polymeren und Metall-Liganden-Komplexen von Ruthenium, Osmium,
Rhenium, Iridium, Platin oder Palladium.
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Aus
der
EP-B-0926102 ist
ein lumineszierendes Glas mit langer Nachleuchtdauer bekannt, das
als Nachtleuchte, Nachtsignal, Material zur Bestätigung eines Infrarotlasers
oder dergleichen verwendbar ist. Es handelt sich um ein Oxidglas,
das bei Anregung durch Strahlung wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen
oder UV-Strahlen lang anhaltendes Nachleuchten und photostimulierte
Lumineszenz aufweisen kann, wobei das Glas 1 bis 55 Gew.-% SiO
2, 1 bis 50 Gew.-% B
2O
3, 30 bis 75 Gew.-% ZnO, weitere optionale
Bestandteile und Terbium oder Mangan als Fluoreszenzmittel enthält.
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Ein
derartiges Glas ist jedoch nicht als Lumineszenzstandard verwendbar.
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Als
Filtergläser
sind eine Reihe von Farbgläsern
bekannt, die als Steilkantenfilter verwendet werden können. Hierzu
gehören
die
DE-B-10141104 ,
aus der ein optisches Farbglas für
ein Steilkantenfilter bekannt ist, das 30 bis 75 Gew.-% SiO
2, 5 bis 35 Gew.-% K
2O,
0 bis 5 Gew.-% TiO
2, 4 bis 7 Gew.-% B
2O
3, 5 bis 30 Gew.-%
ZnO, 0,01 bis 10 Gew.-% F, sowie 0,1 bis 3 Gew.-%, Kupfer, Silber,
Indium, Gallium, Aluminium, Yttrium, Schwefel, Selen oder Tellur
enthalten kann. Hierbei handelt es sich um ein Farbanlaufglas, in
dem durch kolloidale Ausscheidung von Halbleiterverbindungen beim
Abkühlen
der Schmelze oder durch nachträgliche Wärmebehandlung
die Färbung
erzeugt wird.
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Aus
der
US-A-3773530 ist
ein weiteres Farbglas für
einen Filter bekannt, das Cadmiumsulfid als färbenden Bestandteil enthält.
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Derartige
Farbgläser
weisen keine ausreichend hohe Photostabilität auf, um als Lumineszenzstandards
verwendet zu werden.
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Lumineszenzstandards
mit fluoreszierenden Polymerschichten auf einem nicht fluoreszierenden
Träger
sind aus der
WO-A-02077620 bekannt.
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Aus
der
WO-A-0159503 ist
ein Lumineszenzstandard mit einem Substrat etwa aus Quarz bekannt,
auf dem eine strukturierte Oberfläche aus fluoreszierendem Material
aufgebracht ist.
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Aus
der
DE 20 2004
002 064 U1 ist ein Mikroray-Träger bekannt, der ein im Wesentlichen
nicht fluoreszierendes Substrat als Träger und mindestens einen Standard
für Fluoreszenzmessungen
enthält,
der ein Farbglas aufweist. Das Farbglas enthält Halbleiterverbindungen,
bei denen es sich um Cadmium-Halbleiterverbindungen oder um Kupfer-,
Silber-, Indium-, Gallium-, Aluminium-, Schwefel-, oder Selen-Halbleiterverbindungen
handeln kann. Die Farbgläser
enthalten 30 bis 75 Gew.-% SiO
2, 5 bis 35
Gew.-% K
2O, 0 bis 5 Gew.-% TiO
2,
0,01 bis 10 Gew.-% Fluor und 0,1 bis 3 Gew.-% an M'M'''Y''
2, wobei M' Cu
+ und/oder
Ag
+ ist, M''' In
3+ und/oder
Ga
3+ und/oder Al
3+ ist
und Y'' S
2– und/oder
Se
2– ist.
Die fluoreszierenden Halbleiterverbindungen sind als kolloidale
in Glas verteilte Nanokristalle ausgebildet.
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Darüber hinaus
besteht jedoch ein Bedürfnis
an höherwertigen
Standards, die sich durch eine besonders hohe Qualität auszeichnen,
also insbesondere eine hohe Homogenität und Isotropie aufweisen,
eine geringe Temperaturabhängigkeit
und eine Langzeitstabilität
und Photostabilität.
Mit derartigen Standards könnten
auch weitergehende Anforderungen erfüllt werden, wie z. B. eine Überprüfung der
spektralen Empfindlichkeit und Wellenlängenrichtigkeit. Auch könnte die
Zeitachse bei zeitaufgelösten
Lumineszenzmessungen geprüft
werden.
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Die
im Stand der Technik bekannten Farbgläser werden erwiesenermaßen derartigen
Anforderungen nicht gerecht, da sie nicht photostabil sind. Auch
die übrigen
im Stand der Technik bekannten Lumineszenzstandards weisen keine
ausreichende Qualität
auf.
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Aus
der
US 6,472,671 B1 ist
die Verwendung eines Standards zur Referenzierung von Lumineszenzsignalen
bekannt, bei dem ein Farbstoff als fluoreszierendes Dotiermittel
in eine Glasmatrix eingebracht wird.
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Allerdings
ist hierbei die chemische Zusammensetzung des Glasmaterials nicht
weiter spezifiziert.
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In
der
DE 20 2004
002 064 U1 wird die Verwendung eines Standards zur Referenzierung
von Lumineszenzsignalen beschrieben, bei dem Farbgläser als
transparentes Basismaterial verwendet werden. Als fluoreszierendes
Dotiermittel werden Halbleiterverbindungen verwandt.
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Aus
der
DE 102 00 865
A1 ist ferner die Verwendung eines Standards zur Referenzierung
von Lumineszenzsignalen beschrieben, bei dem als optisch transparentes
Basismaterial ein Polymer verwandt wird.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Standard zur Referenzierung von Lumineszenzsignalen (Lumineszenzstandard)
anzugeben, der für
die Charakterisierung der Langzeitstabilität von Lumineszenzmesssystemen
besonders geeignet ist. Der Standard soll eine möglichst hohe Qualität aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Ein
erfindungsgemäß verwendeter
Standard zeichnet sich durch eine besonders gute Homogenität, Isotropie,
Langzeitstabilität
und Photostabilität
aus.
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Der
erfindungsgemäß verwendete
Standard kann aufgrund seiner hohen Qualität für die unterschiedlichsten Anwendungen
eingesetzt werden. So kann er etwa als Lumineszenzstandard für die Charakterisierung
der Langzeitstabilität
von Lumineszenzmesssystemen verwendet werden. Weiterhin ist ein
Einsatz als Wellenlängenstandard,
als Lumineszenzintensitäts-
und Lumineszenzlebensdauerstandard für den Spektralbereich von UV
bis NIR und zur Vergleichbarkeit und Standardisierung von Lumineszenzmessdaten
ermöglicht.
Dabei können
Aussagen zur Änderung
der spektralen Empfindlichkeit des Detektionssystems und der Wellenlängenrichtigkeit,
zur Ermittlung und Charakterisierung der Wellenlängenrichtigkeit, zur Kalibrierung
von Lumineszenzintensitäten
und zur Charakterisierung und Kalibrierung von Lumineszenzmesssystemen
mit zeitaufgelöster
Lumineszenzdetektion im UV- bis NIR-Spektralbereich getroffen werden.
Der erfindungsgemäße Standard
eignet sich ferner als Bezugssystemen bzw. Standard zur Charakterisierung
der (Eigen-)Lumineszenz von Materialien im UV- bis NIR-Spektralbereich
von 250 bis 1700 nm.
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Die
Lebensdauer-/Abklingzeiten lassen sich durch Vorgabe des Basismaterials,
durch die Konzentration der Dotierung und durch Redox-Prozesse „einstellen".
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Die
Absorptions- und Emissionswirkungsquerschnitte lassen sich in weiten
Grenzen variieren, insbesondere wenn als Basismaterial eine Glaskeramik
verwendet wird.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik bekannten Farbgläser sind die Kristallite bei
der erfindungsgemäßen Glaskeramik
(zum Beispiel dotiertes Robax®) > als 10 nm. Die fluoreszierende Dotierung
wird beim erfindungsgemäßen Standard
nicht kolloidal wie bei im Stand der Technik bekannten Standards
eingebaut.
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Werden
Dotierungen mit Buntmetallen verwendet, so ergeben sich breite,
unstrukturierte Emissionsbanden und die Standards können bis
in den NIR-Bereich angewendet werden (zum Beispiel bei Dotierungen mit
Cr3+). Im Stand der Technik war bislang
kein spektraler Fluoreszenzstandard für den NIR-Bereich bekannt.
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Werden
Dotierungen mit seltenen Erden verwendet, so ergeben sich scharfe
Linienspektren, die zum Beispiel zur Wellenlängenkalibrierung bzw. zur Überprüfung der
Wellenlängenrichtigkeit
und zur Bestimmung der spektralen Auflösung von Lumineszenzmesssystemen
herangezogen werden können.
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Die
erfindungsgemäßen Lumineszenzstandards
können
für verschiedene
Messgeometrien und -formate hergestellt werden, also zum Beispiel
in Küvettenform,
in Slideform als Mikroplates und dergleichen mehr.
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Durch
eine Variation der Dotierungskonzentration kann die Fluoreszenzintensität in geeigneter
Weise beeinflusst werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Basismaterial ein Lanthan-Phosphat-Glas, das
30 bis 90 Gew.-% P2O5,
vorzugsweise 50 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 bis 75 Gew.-%
P2O5, sowie Läutermittel
in üblichen
Mengen enthält.
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Weiterhin
kann das Lanthan-Phosphat-Glas, 1 bis 30 Gew.-% La2O3, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, besonders
bevorzugt 8 bis 17 Gew.-% La2O3 enthalten.
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Ferner
enthält
das Basismaterial bevorzugt 1 bis 20 Gew.-% Al2O3, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% Al2O3 sowie 1 bis 20
Gew.-% R2O (Alkalioxide), wobei es sich
bevorzugt um 1 bis 20 Gew.-% K2O, vorzugsweise
5 bis 15 Gew.-% K2O handeln kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Basismaterial mit einer
Dotierung aus Cr2O3,
vorzugsweise mit 0,01 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt mit 0,02
bis 2 Gew.-% Cr2O3 versehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Basismaterial mit einer
Dotierung versehen, die Ce2O3,
Eu2O3, Tb2O3 oder Tm2O3 enthält.
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Handelt
es sich bei dem Basismaterial um ein Fluor-Phosphat-Glas, so enthält dieses
bevorzugt 5 bis 40 Gew.-% P2O5 und
einen Fluoridgehalt von 60 bis 95 Gew.-%.
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Ein
derartiges Basismaterial wird bevorzugt mit 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise
mit 0,05 bis 2 Gew.-% an Er2O3 und/oder
Eu2O3 dotiert.
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Beispielsweise
kann das Basismaterial hierbei mit 0,05 bis 0,3 Gew.-% Er2O3 und 0,5 bis 2
Gew.-% Eu2O3, vorzugsweise
mit etwa 0,1 Gew.-% Er2O3 und
etwa 1 Gew.-% Eu2O3 dotiert
sein.
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Ferner
können
als Basismaterial erfindungsgemäß optische
Fluor-Krongläser, insbesondere
FK-52 oder FK51 (Handelsnamen von Schott), oder ein Lanthanglas,
insbesondere LAK-8 (Handelsname von Schott) sein.
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Hierbei
kann das Basismaterial beispielsweise ein optisches Glas sein, das
0,5 bis 2 Gew.-% La2O3, 10
bis 20 Gew.-% B2O3,
5 bis 25 Gew.-% SiO2, 10 bis 30 Gew.-% SrO,
2 bis 10 Gew.-% CaO, 10 bis 20 Gew.-% BaO, 0,5 bis 3 Gew.-% Li2O, 1 bis 5 Gew.-% MgO, 20 bis 50% Gew.-%
F und Läutermittel
in üblichen
Mengen enthält.
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Ist
das Basismaterial als Lanthanglas ausgebildet, so kann es beispielsweise
30 bis 60 Gew.-% La2O3, 30
bis 50 Gew.-% B2O3,
1 bis 5 Gew.-% SiO2, 1 bis 15 Gew.-% ZnO,
2 bis 10 Gew.-% CaO und Läutermittel
in üblichen
Mengen enthalten.
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Derartige
Fluor-Krongläser
oder Lanthangläser
werden bevorzugt mit 3 bis 100 ppm an Buntmetallen, vorzugsweise
an Kobalt, Chrom und/oder Mangan dotiert.
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Des
Weiteren kann als Basismaterial eine Glaskeramik, insbesondere eine
Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik verwendet werden, wie etwa die
transparenten Glaskeramiken Robax® (Schott-interne
Bezeichnung 87213) oder Cleartrans® (Schott-interne
Bezeichnung 87233). Hierzu wird vorzugsweise eine Dotierung verwendet,
die Eu2O3, Er2O3 und/oder Sm2O3 enthält.
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Besonders
bevorzugt enthält
die Dotierung hierbei 0,1 bis 5 Gew.-% Eu2O3, 0,01 bis 0,5 Gew.-% Er2O3 und/oder 0,1 bis 2 Gew.-% Sm2O3.
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Das
Basismaterial ist in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung aus
Rohstoffen hergestellt, die höchstens
100 ppm an seltenen Erden enthalten.
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Ferner
weist das Basismaterial bevorzugt einen Wassergehalt von weniger
als 0,1 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 0,01 Gew.-% auf.
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Dadurch
können
Quenching- und Auslöschungseffekte
ausgeschlossen werden.
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Der
erfindungsgemäß verwendetee
Standard kann gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung als selbsttragender Körper ausgebildet
sein, also insbesondere im Küvetten-Format
(bevorzugt 12 × 12 × 50 mm
oder kleiner), im Mikrotiterplattenformat und Objektträgerformat
(bevorzugt 75 × 25 × 1 mm oder
kleiner), oder als Kapillare hergestellt sein.
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Daneben
ist es grundsätzlich
möglich,
für spezielle
Anwendungen auch einen erfindungsgemäß verwendeten Standard mit
einem Substrat aus einem im Wesentlichen nicht fluoreszierenden
oder lumineszierenden Material herzustellen, auf dem das Basismaterial
mit der Dotierung aufgebracht ist.
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Hierbei
kann das Basismaterial mit der Dotierung als durchgehende Beschichtung
auf dem Substrat aufgenommen sein.
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Dagegen
ist es auch möglich,
das Basismaterial mit der Dotierung als strukturierte Beschichtung
auf dem Substrat aufzubringen.
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Derartige
Standards mit einem Substrat aus einem nicht fluoreszierenden oder
lumineszierenden Material, mit einer Beschichtung aus einem optisch
transparenten Basismaterial aus Glas oder Glaskeramik, das eine
Dotierung mit mindestens einem Be standteil, der fluoreszierend oder
lumineszierend ist, aufweist, können hergestellt
werden, indem das Basismaterial mit der Dotierung verdampft und
auf dem Substrat abgeschieden wird.
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Hierbei
kann das Basismaterial mit der Dotierung als Target verwendet werden,
das mittels eines Elektronenstrahls lokal verdampft und auf dem
Substrat abgeschieden wird.
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Ist
es gewünscht,
eine strukturierte Beschichtung zu erzielen, so kann das Substrat
vor der Abscheidung mit einer Maskierung versehen werden, die nach
der Beschichtung zumindest teilweise wieder entfernt wird, wie dies
grundsätzlich
aus der
WO-A-03088340 bekannt
ist.
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Hierbei
können
die Verdampfung und Abscheidung durch Plasma-Ionen unterstützt werden.
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Das
Verfahren zur Verdampfung und Abscheidung des dotierten Basismaterials
auf einer Substratoberfläche
ist nicht auf die vorstehend erwähnten
Materialien beschränkt,
sondern kann grundsätzlich
auch bei anderen Standards durchgeführt werden, die aus beliebigen
geeigneten Materialien bestehen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuterten
Merkmale der Erfindung nicht nur der jeweils angegebenen Kombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar
sind ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 die
Ergebnisse eines Bestrahlungstests eines erfindungsgemäßen Glases
im Vergleich zu einem herkömmlichen
Farbglas, wobei die Intensität über der
Bestrahlungsdauer aufgetragen ist;
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2 die
Emissionsspektren eines erfindungsgemäßen Lanthan-Phosphatglases,
das mit mehreren seltenen Erden dotiert ist, im Vergleich zu einem
herkömmlichen
Uranyl-Glas und zu herkömmlichen
T-Phernylbutadien in PMMA, jeweils unbestrahlt, nach 30-minütiger Bestrahlung
mit UV und nach 60-minütiger
Bestrahlung mit UV, wobei die Intensität in willkürlichen Einheiten über der
Wellenlänge
in Nanometer aufgetragen ist;
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3 das
Ergebnis von Messungen zum Nachweis der guten Homogenität und Anisotropie
an einem erfindungsgemäßen Fluor-Phosphat-Glas,
das mit 1% Erbiumoxid dotiert ist, wobei die Intensität über der
Wellenlänge
aufgetragen ist;
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4 ein 3 entsprechendes
Diagramm eines Fluor-Phosphat-Glases,
das mit 1 Gew.-% Eu2O3 dotiert
ist, wobei wiederum die Intensität über der
Wellenlänge
aufgetragen ist;
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5 eine 3 entsprechende
Darstellung zum Nachweis der guten Anisotropie und Homogenitätseigenschaften an
einem Lanthan-Phosphat-Glas, das mit Eu2O3 dotiert ist;
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6 die
Ergebnisse von Messungen zur Prüfung
der Anisotropie an dem Glas gemäß 5;
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7 die
Abklingzeiten von Standards aus FK-5 dotiert mit 10 ppm V2O5 und von FP dotiert
mit 5 Gew.-% Er2O3,
wobei die Intensität
in wahren Einheiten über
der Abklingzeit in Sekunden aufgetragen ist;
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8 die
Abklingzeiten des Lathan-Phosphat-Glases Probe C, wobei die Intensität in wahren
Einheiten über
der Abklingzeit in Sekunden aufgetragen ist;
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9 die
Maximalintensität
der Emission bei 510 nm für
FK-5 in Abhängigkeit
von der Dotierung mit V2O5 im
Bereich von 10 bis 100 ppm, für
zwei unabhängig
voneinander durchgeführte
Messreihen;
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10 das
Langzeitverhalten des Lathan-Phosphat-Glases (Probe B) für die Emissions-Intensität bei 542
nm;
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11 das
Ergebnis von Homogenitätstests
hinsichtlich der Maximalintensität
bei 550 nm für
insgesamt 18 Proben mit unterschiedlichem Entnahmeort aus demselben
Glasblock des Lathan-Phosphat-Glases A;
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12 das
Ergebnis von Homogenitätstests
hinsichtlich der Maximalintensität
bei 613 nm für
insgesamt 18 Proben mit unterschiedlichem Entnahmeort aus demselben
Glasblock des Lathan-Phosphat-Glases A;
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13 die
Variation der Abklingzeiten bei 550 nm für Proben unterschiedlichen
Entnahmeortes aus demselben Glasblock des Lathan-Phosphat-Glases
A und
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14 die
Variation der Abklingzeiten bei 613 nm für Proben unterschiedlichen
Entnahmeortes aus demselben Glasblock des Lathan-Phosphat-Glases
A.
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Beispiel 1
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Die
Zusammensetzungen verschiedener Lanthan-Phosphat-Gläser, die
mit Cr
2O
3 einzeln
dotiert werden oder mit seltenen Erd-Ionen mehrfach dotiert werden,
sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
OXIDE | Gewichts-% | Gewichts-% | Gewichts-% | Gewichts-% | Gewichts-% |
Probe | A | B | C | D | E |
Al2O3 | 8,498 | 8,774 | 8,857 | 8,498 | 8,498 |
P2O5 | 68,378 | 70,593 | 71,267 | 68,378 | 68,378 |
K2O | 9,316 | 6,328 | 6,388 | 9,316 | 9,316 |
La2O3 | 13,808 | 14,256 | 10,669 | 13,808 | 13,808 |
Ce2O3 | | | 0,126 | 0,13 | 1,21 |
Eu2O3 | | | | 1,24 | 1,23 |
Tb2O3 | | | 2,693 | 2,63 | 2,62 |
Cr2O3 | | 0,050 | | | |
Tm2O3 | | | | | 1,02 |
Tab.
1
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Beispiel 2
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Es
werden Fluor-Phosphat-Gläser
(FP-Gläser)
verwendet, die einen P2O5-Gehalt
von 5 bis 40 Gew.-%, und einen Fluoridgehalt von 60 bis 96 Gew.-%
aufweisen. Es werden Einzeldotierungen von etwa 0,1 Gew.-% Er2O3 und etwa 1 Gew.-%
Eu2O3 verwendet.
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Die
Zusammensetzung eines als Abkling- oder Lifetime-Standard verwendeten
FP-Glases (in Mol.-%) ist:
35% AlF3
20%
CaF2
15% SrF2
10%
MgF2
10% Sr(PO3)2
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Dieses
Glas wurde mit 5 Gew.-% Er2O3 dotiert.
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Beispiel 3
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Optische
Fluor-Krongläser
FK-52, FK-53 und Lanthanglas LAK-8 werden mit Buntmetallen dotiert,
und zwar im Bereich zwischen 3 und 100 ppm mit Kobalt, Chrom und/oder
Mangan.
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Es
ergibt sich eine breitbandige Emission (420 < λ < 850 nm) in dem
für die
Bioanalytik relevanten Anregungsbereich von 400 bis 750 nm. Die
Zusammensetzungen der Fluor-Krongläser FK51 und FK52 sowie des
Lanthanglases LAK-8 sind in Tabelle 2 dargestellt.
Oxide | Gew.-% | Gew.-% |
Glas | FK51/FK52 | LAK-8 |
La2O3 | 0,5–2% | 30–60% |
B2O3 | 10–20% | 30–50% |
SiO2 | 5–25% | 1–5% |
SrO | 10–30% | |
CaO | 2–10% | 2–10% |
BaO | 10–20% | |
Li2O | 0,5–3% | |
MgO | 1–5% | |
F | 20–50% | |
ZnO | | 1–15% |
Tab.
2
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Beispiel 4
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Es
wird eine Lithium-Aluminium-Glaskeramik (LAS-Glaskeramik) mit seltenen
Erden dotiert. Hierzu kann insbesondere die von Schott unter der
Marke Ceran® vertriebene
LAS-Glaskeramik verwendet werden.
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Hierbei
können
beispielsweise etwa 0,1 bis 5 Gew.-% Eu2O3, 0,01 bis 0,5 Gew.-% Er2O3 und/oder 0,1 bis 2 Gew.-% Sm2O3 zugesetzt werden.
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Die
Ergebnisse von verschiedenen Untersuchungen zum Nachweis der Photostabilität, Homogenität und Anisotropie
an verschiedenen erfindungsgemäßen Gläsern werden
im Folgenden anhand der 1 bis 6 näher erläutert.
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1 zeigt
den Nachweis der Photo-Stabilität
am Glas C gemäß Tabelle
1 im Vergleich zu dem herkömmlichen
Farbglas OG2 (52 Gew.-% SiO2, 22,5 Gew.-%
K2O, 3,9 Gew.-% B2O3, 19,5 Gew.-% ZnO, 1,2 Gew.-% CdS, 0,63
Gew.-% Na2SeO3 und
0,1 Gew.-% Cd).
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Es
wurde eine Bestrahlung mit einer Xenon-Lampe in den Spektralbereichen
450 bis 490 bzw. 510 bis 555 nm durchgeführt.
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Während das
erfindungsgemäße Lanthan-Phosphatglas
mit SEE-Dotierung
auch nach 4 Minuten Bestrahlungsdauer einen Intensitätsabfall
von weniger als 5% aufweist, zeigt das herkömmliche Farbglas OG2 schon
nach kurzer Zeit einen starken Intensitätsabfall.
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2 zeigt
die Ergebnisse einer Bestrahlung mit einer 10 W-Lampe HOK-4, die bei 365 nm abstrahlt, mit
anschließender
Anregung bei 365 nm. Zum Vergleich ist das mehrfach dotierte SEE-Lanthan-Phosphatglas
C (Tab. 1) sowie ein Uranyl-Glas GG17 und ein T-Phernylbutadien
in PMMA dargestellt. Die gemessene Intensität ist in willkürlichen
Einheiten über
der Wellenlänge
gezeigt.
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Aus
der Darstellung ist zu erkennen, dass das polymere fluoreszierende
Material mit T-Phernylbutadien in PMMA einen deutlichen Abfall der
Intensität
nach Bestrahlung zeigt (vgl. Maximum bei ca. 425 nm). Auch das Uranyl-Glas
GG17, das sein Maximum bei ca. 540 nm hat, zeigt nach Bestrahlung
einen merklichen Intensitätsabfall,
ist also nicht photostabil.
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Der
erfindungsgemäße Standard
(Probe C gemäß Tabelle
1) zeigt eine Reihe von ausgeprägten
Intensitätsmaxima
bei ca. 415, 435, 480, 550, 580 und etwa 620 nm. Zwischen dem unbestrahlten
Zustand und dem Zustand nach 30 bzw. 60-minütiger Bestrahlung sind praktisch
keine Intensitätsunterschiede
erkennbar.
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3 zeigt
das Ergebnis der Prüfung
der Anisotropie und Homogenität
an einem Fluor-Phosphatglas mit einer Einzeldotierung von etwa 1
Gew.-% Er3+. Die Glaszusammensetzung war
wie folgt (in Mol.-%): 35% AlF3, 15% SrF2, 30% CaF2, 10%
MgF2, 20% P2O5.
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Die
Anregung erfolgte bei 378 nm, und es wurde bei 0° (Reflexion) und 90° gemessen.
Die Messung wurde Untergrund- und Spektralkorrigiert. Die Homogenität wurde
anhand von vier Messpunkten überprüft (N =
4). Aus der Darstellung der Intensität (in willkürlichen Einheiten) über der
Wellenlänge
zeigt sich anhand der Fehlerbalken, dass insgesamt die Anisotropie
sehr gering ist (0,02732) und die Homogenität sehr gut ist. In der Darstellung
sind zusätzlich
die gemessenen Wellenlängenmaxima
bei 522, 540 und 551 nm angegeben.
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4 zeigt
eine entsprechende Untersuchung zur Homogenität und Anisotropie an einem
Fluor-Phosphatglas, das mit 1 Gew.-% Eu3+ dotiert
ist. Die Anregung erfolgte bei 404 nm. Es wurde bei 0° und 90° (Reflexion)
gemessen. Die Messung wurde Untergrund- und Spektralkorrigiert. Die Anisotropie
wurde mit 0,01407 bestimmt. Die Homogenität wurde an vier Messpunkten
geprüft.
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Wiederum
zeigt sich eine sehr gute Anisotropie und Homogenität.
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5 zeigt
eine entsprechende Untersuchung an einem Lanthan-Phosphatglas gemäß Probe C (vgl. Tabelle 1).
Die Anregung er folgte bei 365 nm. Es wurde bei 0° und 90° (Reflexion) gemessen. Die Messung wurde
Untergrund- und Spektralkorrigiert. Die Anisotropie wurde mit 0,00783
bestimmt. Die Homogenität
wurde an vier Messpunkten geprüft.
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Auch
hierbei zeigt sich eine sehr geringe Anisotropie und eine sehr gute
Homogenität.
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6 zeigt
schließlich
die Messung der Anisotropie an dem Lanthan-Phosphatglas Probe C
(vgl. Tabelle 1) in Abhängigkeit
von der Anregungs-/Emissionsrichtung. Hierbei wurde wie folgt gemessen:
Es wurden Messungen bei 0° (Normalfall)
und 90° durchgeführt. Die
Messung der Emission erfolgte dabei bei 0° (Messpunkt 1) oder 90° (Messpunkt
3) bzw. unter 0° (Messpunkt
2) oder 180° (Messpunkt
4). Zusaätzlich
wurde noch an verschiedenen Höhen-Positionen
der Probe gemessen (Messpunkte 5 und 7 bzw. 6 und 8). Messpunkte
9 und 10 stellen die Anisotropiemessungen für die Anordnung 0–180°, d. h. in
Transmission, dar. Die Anisotropiewerte ergeben sich dann (in willkürlichen
Einheiten) relativ zur klassischen 0–90° Anordnung (Anregung/Emission).
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Auch
dies zeigt wiederum eine sehr gute Isotropie des untersuchten Materials.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Standards
kann im Wesentlichen gemäß dem Fachmann
bekannter Verfahren erfolgen, wobei besonders reine Ausgangsmaterialien
verwendet werden (weniger als 100 ppm seltene Erden) und die Gläser „trocken" erschmolzen werden,
so dass der Wassergehalt bevorzugt kleiner als 0,01 Gew.-% ist.
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Die
verwendeten lumineszierenden oder fluoreszierenden Bestandteile
(Fluorophore) können
dem Basismaterial beim Erschmelzen des Glases als Oxide oder Fluoride
zugeführt
werden.
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Die
bekannten Herstellungsverfahren beginnen mit dem Schmelzen der Glaszusammensetzung
(wobei hier die Schritte Einschmelzen des Gemenges, Läutern, Homogenisieren
und Konditionieren erfasst sind). Das Einschmelzen erfolgt in keramischen
Tiegeln (Häfen)
bei Temperaturen von etwa 1100 bis etwa 1550°C, vorzugsweise im Bereich von
etwa 1200 bis 1360°C.
Das Blankschmelzen (Läutern)
erfolgt vorzugsweise bei etwas geringerer Temperatur, beispielsweise
bei etwa 1200 bis 1400°C.
Nach einer Abstehphase wird die Temperatur üblicherweise abgesenkt, um
die Schmelze zu homogenisieren. Der Guss erfolgt typischerweise
zwischen etwa 950 und 1050°C
in eine geeignete Form.
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Soweit
es sich um eine LAS-Glaskeramik handelt, so erfolgt eine für derartigen
Glaskeramiken bekannte Temperaturbehandlung zur Keimbildung und
anschließenden
Keramisierung.
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Für besonders
hohe Qualitätsansprüche kann
das Erschmelzen in Platintiegeln oder mit Platin ausgekleideten
Keramiktiegeln erfolgen, um eine besonders hohe Reinheit zu gewährleisten.
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Soll
ein erfindungsgemäß volumendotiertes
Basismaterial als Beschichtung auf einem im Wesentlichen nicht fluoreszierenden
oder lumineszierenden Träger
abgeschieden werden, so kann hierbei eine Verdampfung und anschließende Abscheidung
erfolgen, wie es grundsätzlich
aus der
WO-A-03087424 und
der
WO-A-03088340 bekannt
ist.
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Hierzu
kann ein Elektronenstrahlerzeuger mit einer Strahlumlenkeinrichtung
und einem Glastarget verwendet werden, das von einem Elektronenstrahl
getroffen wird. An der Auftreffstelle des Elektronenstrahls verdampft
das Glas und schlägt
sich auf dem zu beschichtenden Substrat nieder. Um das Glas des
Targets möglichst
gleichmäßig verdampfen
zu lassen, wird das Target gedreht und der Elektronenstrahl gewobbelt.
Zusätzlich
kann die Anordnung noch eine Plasmaquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahls
umfassen, der im Betrieb in Richtung auf die zu beschichtende Seite
gerichtet ist, um das Substrat mittels Plasma-Ionen-unterstützten Aufdampfens
(PIAD) mit der dotierten Glasschicht zu beschichten.
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Soweit
die Herstellung eines strukturierten Lumineszenzstandards auf einem
Substrat gewünscht
ist, so wird das Substrat zunächst
mittels eines üblichen
Maskierungsverfahrens mit einer Maskierung versehen, die nach der
Beschichtung zumindest teilweise wieder entfernt wird.
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
ist die Verwendung von dotierten FK- und FP-Gläsern als Abkling- oder Lifetime-Standard
in 7 gezeigt. Dargestellt sind die Gläser FK-5
(FK51/FK52 gemäß Tab. 2)
mit 10 ppm V2O5,
sowie FP (Beispiel 2) dotiert mit 5 Gew.-% Er2O3.
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Bei
Dotierungen mit Seltenen-Erd Ionen und Buntmetallen werden Abklingzeiten
im Bereich von einigen Mikro- bis Millisekunden beobachtet.
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Die
Abklingzeiten werden wie folgt bestimmt: An einem Fluoreszenz-Spektrometer
Typ FLUOLOG 3 wurde eine Erweiterung (Typ IBH TSCPC) derart vorgenommen,
dass zusätzlich
eine gepulste LED-Lichtquelle
(1.4 ns oder 500 μs,
Wellenlängenmaximum
bei 376 und 489 nm) für
die Anregung verwendet wird. Die Detektion für einen feste Emissionswellenlänge erfolgt über einen
Doppel-Monochromator
und Detektor. Die Synchronisierung von gepulster Anregung und Detektion
erfolgt über
einen Controller, der gleichzeitig dafür sorgt, dass die am Detektor
zu unterschiedlichen Zeiten ankommenden Photonen entsprechend ihrer
Laufzeit (vom Zeitpunkt der Anregung aus gerechnet) erfasst und
dargestellt werden. Als Abklingzeit wird die Zeit bezeichnet, für die die
maximale Intensität
um die Hälfte
reduziert worden ist.
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Aus 7 ergeben
sich so Abklingzeiten von 4.1 μs
(FK-5 dotiert mit V2O5)
und 52 μs
(FP dotiert mit Er2O3).
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Die
beschriebenen dotierten Gläser
zeichnen sich dadurch aus, dass die Abklingzeiten für Dotierungen
kleiner 500 ppm unabhängig
vom Dotiergrad sind.
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8 zeigt
die entsprechenden Abklingzeiten für das Lanthan-Phosphat-Glas Probe
C (vgl. Tab. 1). Die Abklingzeiten liegen hier im Millisekundenbereich.
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Bei
Dotierungen größer 0.1
Gew.-% ist die Abklingzeit abhängig
vom Dotiergrad und der Glasmatrix. Bei Kenntnis dieser Abhängigkeiten
ist eine Kalibrierung somit möglich.
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Für die Verwendung
als Gerätestandard
ist es wichtig, dass deren verschiedenen Sensitivitäten auch berücksichtigt
werden. Dies kann dadurch erfolgen, indem man unterschiedliche Dotier grade
verwendet. Dann muss jedoch gewährleistet
sein, dass die Intensität
auch linear mit dem Dotiergrad skaliert.
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In 9 ist
die Maximalintensität
der Emission bei 510 nm für
FK-5 dotiert mit 10 ppm V2O5 zu
sehen. Dargestellt sind die Maximalwerte der Intensität für zwei unabhängig voneinander
durchgeführte
Messreihen.
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Schließlich müssen Standards
hinsichtlich ihrer Emissionsintensität langzeitstabil sein, d. h.
die Emission darf sich über
einen Zeitraum von 2 Jahren hinweg um nicht mehr als 5–10% ändern.
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In 10 ist
das Langzeitverhalten für
das Lanthan-Phosphat-Glas
Probe B (vgl. Tab. 1) für
die Emission bei 542 nm gezeigt. Man erkennt, dass im Verlauf von
24 Monaten die Schwankungen in der Intensität kleiner als 5% sind.
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Für den Nachweis
der Homogenität
bzw. Invarianz der Fluoreszenzeigenschaften hinsichtlich Entnahmeort
der Probe aus der Schmelze wurden aus einem Glasblock der Schmelze
Lanthan-Phosphatglas
A insgesamt 18 Proben in Küvettenform
(Geometrie: 10 × 10 × 40 mm3) entnommen und getestet. Das Ergebnis bei
einer Anregung mit 550 nm bzw. 613 nm ist in den 11 bzw. 12 dargestellt.
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11 zeigt
die Maximalintensität
bei 550 nm bei 365 nm Anregung für
die präparierten
Küvetten-Proben
1 bis 18. Man erkennt, dass die Maximalintensität von Probe zu Probe nicht
mehr als 2% variiert.
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Ein ähnliches
Ergebnis zeigt 12 für die Emission bei 613 nm.
Hierbei ist die Anregungswellenlänge
393 nm, d. h. es wird explizit der f-f Übergang des Eu3+ angeregt.
Dabei sind die Schwankungen sogar im Bereich von weniger als 1%.
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Ein
noch empfindlicherer Nachweis mittels Bestimmung der Abklingzeit
für die
betrachteten Emissionen bei 550 und 613 nm ist in den 13 und 14 gezeigt.
Die Messung erfolgt im sog. Single-Photon-Counting-Detection (TPCD)
Verfahren, bei dem die einzelnen emittierten Photonen in Abhängigkeit
vom Zeitpunkt der gepulsten Anregung gezählt und dargestellt werden.
Die Messung des Abklingverhaltens erlaubt den Einblick in mikroskopische
Absorptions- und Emissionsvorgänge
bei der Fluoreszenz.
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13 zeigt
die Abklingzeiten für
die Emissionen bei 550 nm. Die Anregung erfolgte dabei mit einer gepulsten
LED der maximalen Intensität
bei 376 nm. 14 zeigt das Ergebnis einer
entsprechenden Untersuchung bei 613 nm.
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Man
erkennt in beiden Fällen,
dass die Abklingzeiten für
550 nm zwischen 2.3 und 2.6 ms bzw. für 613 nm zwischen 2.8 und 3.0
ms liegen. Die relativen Abweichungen betragen dabei weniger als
5% und liegen damit im Bereich der Messgenauigkeit des verwendeten
Gerätes.
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Somit
werden durch die erfindungsgemäßen Standards
besonders hochwertige Standards angegeben, die zumindest eine oder
mehrere der nachfolgenden Charakteristiken erfüllen:
- (a)
eine Abklingzeit, die bis zu einer Dotierung von etwa 500 ppm unabhängig von
der Dotierung ist;
- (b) eine Veränderung
der maximalen Intensität
von höchstens
10% oder höchstens
etwa 5% über
eine Zeitdauer von 2 Jahren;
- (c) eine Intensitätsvariation
von Proben, die aus verschiedenen Probenbereichen eines Glas- bzw.
Glaskeramikblocks genommen sind, von höchstens 3%, vorzugsweise höchstens
2%, insbesondere von etwa 1%;
- (d) eine Variation der Abklingzeiten von Proben, die aus verschiedenen
Probenbereichen eines Glas- bzw. Glaskeramikblocks genommen sind,
von höchstens
10%, vorzugsweise höchstens
etwa 5%.