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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines Bestandteils einer flüssigen oder gasförmigen Probe, wobei in die Probe ein modulierter Lichtstrahl eingestrahlt wird.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Messvorrichtung, mit einer Messkammer, die zur Aufnahme einer flüssigen oder gasförmigen Probe eingerichtet ist, und mit einer Lichtquelle, die zur Einstrahlung eines modulierten Lichtstrahls in die Messkammer eingerichtet ist.
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Der hochselektive und sensitive Nachweis unter Echtzeitbedingung von unbekannten Substanzen und Bestandteilen in einer Probe stellt eine hohe Herausforderung an die Analytik dar. So ist beispielhaft der selektive Einzelzellnachweis nur mit optisch anspruchsvoller Messtechnik möglich. Der apparative Aufwand dieses Nachweises mit optischen Verfahren ist verhältnismäßig hoch, da hier in der Regel hoch-kohärente und zudem frequenzstabilisierte Lichtquellen zum Einsatz kommen, wie etwa bei kommerziell erhältlichen Zytometern. Die bekannten Messverfahren basieren häufig auch auf der Messung von Raman- oder Fluoreszenzspektroskopie, wobei bei den bekannten Verfahren die Detektion der Absorption direkt über eine Fotodiode oder ein Spektrometer durchgeführt wird.
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Das eingangs beschriebene Verfahren und die eingangs beschriebene Messvorrichtung sind beispielsweise bekannt, um mit einem photoakustischen Messverfahren die Absorption des Lichtstrahls durch eine Detektion von akustischen Anregungen, welche durch die Absorption in der untersuchten Probe erzeugt werden, nachzuweisen.
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Beispielsweise ist aus der
US 4 197 009 A ein Verfahren zu photoakustischen Raman-Spektroskopie bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen und den apparativen Aufbau zu vereinfachen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem eingangs beschriebenen Verfahren vorgesehen, dass eine Intensität und/oder ein Strahlungsdruck einer von oder an dem Bestandteil in Wechselwirkung mit dem eingestrahlten Lichtstrahl erzeugten Strahlung mit einem piezoaktiven Element gemessen wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Detektion einer akustischen Anregung nicht erforderlich ist. Somit ist ein alternatives Messverfahren bereitgestellt. Der apparative Aufwand zum Nachweis akustischer Anregungen ist verzichtbar, wodurch sich eine erhebliche Vereinfachung der Detektion unbekannter Substanzen, beispielsweise mittels Fluoreszenz- und/oder Raman-Spektroskopie, ergibt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Modulationsfrequenz des modulierten Lichtstrahls auf eine Resonanzfrequenz des piezoaktiven Elements abgestimmt wird. Hierzu kann beispielsweise der modulierte Lichtstrahl in einem Frequenz- und/oder Amplituden-Modulationsverfahren mit der Modulationsfrequenz moduliert werden. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Ausnutzung einer Resonanz die Nachweisempfindlichkeit des Verfahrens verbesserbar ist. Die Erfindung macht sich vorteilhaft zunutze, dass die Modulation des eingestrahlten Lichtstrahls durch die Wechselwirkung auf die von oder an dem Bestandteil erzeugte Strahlung übertragbar ist. Somit ist die Strahlung ebenfalls mit der Modulationsfrequenz modulierbar, und das piezoaktive Element ist im Absorptionsfall resonant anregbar.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Strahlung um elektromagnetische Strahlung in einem Spektralbereich, beispielsweise in einem sichtbaren und/oder nicht-sichtbaren (ultravioletten und/oder infraroten) Spektralbereich.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Wellenlänge des modulierten Lichtstrahls auf eine Absorptionswellenlänge des Bestandteils abgestimmt wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein selektiver Nachweis durchführbar ist, indem eine Trägerfrequenz, die durch die Wellenlänge vorgegeben ist, auf eine charakteristische Absorptionsfrequenz Absorptionslinie des zu untersuchenden Bestandteils in der Probe abgestimmt wird. Die Abstimmung kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Wellenlängen zueinander gleich gewählt werden oder in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlung mit einer Wellenlänge erzeugt wird, die verschieden ist von der oder von einer Wellenlänge des eingestrahlten Lichtstrahls. Dies ist beispielsweise durch einen physikalischen oder chemischen Prozess an dem zu untersuchenden Bestandteil erreichbar, welcher durch den eingestrahlten Lichtstrahl ausgelöst wird und welcher die erwähnte Wechselwirkung bewirkt. Von Vorteil ist dabei, dass der Nachweis der erzeugten Lichtstrahlung in einem Spektralbereich geführt werden kann, welcher außerhalb eines von dem eingestrahlten Lichtstrahl verwendeten Spektralbereichs liegt. Somit ist erreichbar, dass der eingestrahlte Lichtstrahl die Detektion der erzeugten Strahlung nicht oder nur äußerst gering stört, oder der eingestrahlte Lichtstrahl kann einfach auf dem Weg zum piezoaktiven Element herausgefiltert werden.
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Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass die Strahlung durch Fluoreszenz des Bestandteils und/oder durch Raman-Streuung an den Bestandteil erzeugt wird. Hierbei kann die Fluoreszenz auch durch Farbstoffe erzeugt oder verstärkt werden.
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Der Bestandteil kann beispielsweise eine chemische Substanz und/oder ein vorzugsweise organischer, besonders vorzugsweise belebter Partikel und/oder ein unbelebter Partikel, vorzugsweise ein Staub- oder Rußpartikel oder dergleichen, sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlung mit einer Optik auf das piezoaktive Element abgebildet wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein großer Anteil der insgesamt erzeugten Strahlung zum Nachweis verwendbar ist. Beispielsweise kann mit der Optik ein Lichttrichter oder ein Winston-Cone ausgebildet sein, mit welchem die erzeugte Strahlung aus einem Anregungsbereich, in welchem die Anregung durch den eingestrahlten Lichtstrahl erfolgen kann, aufgesammelt und an das piezoaktive Element geleitet wird.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Abbildungsoptik als dispersive Optik ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass unterschiedliche Spektralanteile der erzeugten und abgestrahlten Strahlung räumlich voneinander trennbar sind, um sie getrennt nachzuweisen.
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Zur Eliminierung oder Verminderung des störenden Einflusses auf die Messung, der auf den Lichtstrahl zurückzuführen ist, kann vorgesehen sein, dass die Strahlung durch einen Filter geführt wird, welcher für den eingestrahlten Lichtstrahl undurchlässig ist oder abschwächend wirkt.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein zeitlicher Verlauf der Intensität gemessen wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein charakteristisches Abklingverhalten der erzeugten Strahlung aufgrund der Wechselwirkung erfassbar ist. Somit sind Hintergrundeinflüsse eleminierbar und/oder erkennbar. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Intensität der Strahlung in einem Zeitabschnitt gemessen wird, in welchem der Lichtstrahl abgeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass der störende Einfluss des eingestrahlten Lichtstrahls auf die Messung der erzeugten Strahlung auf einfache Weise eleminierbar ist. Beispielsweise kann hierzu der zeitliche Verlauf der Intensität und/oder des Strahlungsdrucks gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Filter eingerichtet sein, mit welchem der eingestrahlte Lichtstrahl, aus der abgestrahlten Strahlung herausfilterbar ist.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Messvorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass ein piezoaktives Element zur Erfassung von einer aus der Messkammer abgestrahlten Strahlung angeordnet und ausgebildet ist und dass das piezoaktive Element zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer Intensität und/oder von einem Strahlungsdruck der erfassten Strahlung eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Messvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitstellbar ist. Hierbei kann als abgestrahlte Strahlung eine an einem Bestandteil der Probe aufgrund des eingestrahlten Lichtstrahls erzeugte Strahlung verwendet werden.
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Als Lichtquelle ist vorteilhaft ein Halbleiterlaser, eine LED oder eine sonstige portable miniaturisierte Lichtquelle verwendbar. Die Verwendung von Halbleiterlasern bietet den zusätzlichen Vorteil, dass eine hohe Ausgangsleistung bereitstellbar ist. Somit ist eine hohe Anzahl von Photonen für den eingestrahlten Lichtstrahl erzeugbar, mit welcher eine einfach nachweisbare hohe Intensität der abgestrahlten Strahlung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mit dem piezoaktiven Element ein Strahlungsdruck der Strahlung in das Ausgangssignal umwandelbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Intensitätsmessung durchführbar ist, da die Intensität in einer festen Beziehung zum Strahlungsdruck steht.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das piezoaktive Element in einem Auftreffbereich für die Strahlung absorbierend ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Möglichkeit für eine Messung eines Strahlungsdruckes der abgestrahlten Strahlung eingerichtet und bereitgestellt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Abbildungsoptik zur Abbildung der Strahlung auf das piezoaktive Element eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die erfasste Strahlung selektiv aus einem Anregungsbereich auf das piezoaktive Element leitbar ist. Somit sind störende Einflusses von außerhalb des Anregungsbereichs ausblendbar. Beispielsweise kann die Abbildungsoptik hierzu einen Lichttrichter oder Winston-Cone bereitstellen, mit welchem das abgestrahlte Licht aus dem Anregungsbereich aufsammelbar und auf das piezoaktive Element richtbar ist. Durch Verwendung einer Abbildungsoptik ist auch ein mit dem piezoaktiven Element erfassbarer Raumwinkelbereich bedarfsgerecht gestaltbar, beispielsweise vergrößerbar.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn die Abbildungsoptik als dispersive Abbildungsoptik ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass unterschiedliche Spektralanteile der abgestrahlten Strahlung separat voneinander detektierbar sind.
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Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Messkammer und dem piezoaktiven Element ein Filter angeordnet sein, welcher für den eingestrahlten Lichtstrahl undurchlässig oder abschwächend ist. Somit ist ein störender Einfluss des Lichtstrahls auf die Messung verminderbar oder sogar eliminierbar.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das piezoaktive Element an einem Resonanzelement, welches eine Resonanzfrequenz aufweist, ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass das piezoaktive Element somit ebenfalls eine Resonanzfrequenz aufweist, welche zur Detektion der erfassten Strahlung verwendbar ist.
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Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle zur Modulation des Lichtstrahls mit einer Modulationsfrequenz eingerichtet ist, welche auf die oder eine Resonanzfrequenz des piezoaktiven Elements abgestimmt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine resonante Ankopplung des piezoaktiven Elements an die abgestrahlte Strahlung erreichbar ist. Somit ist die Nachweisempfindlichkeit der Messvorrichtung steigerbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei piezoaktive Elemente, vorzugsweise mehr als zwei piezoaktive Elemente, zur Erfassung von voneinander verschiedenen Spektralanteilen der Strahlung eingerichtet sind. Von Vorteil ist dabei, dass unterschiedliche Spektralanteile separat voneinander auswertbar sind. Somit sind unterschiedliche Absorptionslinien und/oder unterschiedliche Wechselwirkungsprozesse simultan in einem Messverfahren der beschriebenen Art nutzbar. Beispielsweise ist somit an Bestandteilen der Probe mittels Raman-Streuung erzeugte Strahlung getrennt von Strahlung, die durch Fluoreszenz der Bestandteile oder anderer Bestandteile der Probe erzeugt wird, erfassbar. Dies ermöglicht eine nochmals genauere Charakterisierung der zu untersuchenden Bestandteile und/oder eine gleichzeitige oder zeitlich parallele Untersuchung unterschiedlicher Bestandteile der Probe. Bevorzugt sind die piezoaktiven Elemente räumlich beabstandet voneinander angeordnet, um unterschiedliche Spektralanteile der mit einer dispersiven Abbildungsoptik aufgefächerten Strahlung zu detektieren.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Auswerteelektronik zur Messung der Intensität und/oder des Strahlungsdrucks (nur) in einem Zeitfenster, in welchem die Lichtquelle inaktiv oder dunkel ist, eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass störende Einflüsse der Lichtquelle auf die Messung der in der Messkammer durch die zu untersuchenden Bestandteile erzeugten und aus der Messkammer abgestrahlten Strahlung ausbelendbar sind. Bevorzugt ist die Lichtquelle gepulst betreibar und wird gepulst betrieben.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich durch die Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Ansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des Ausführungsbeispiels.
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Es zeigt die einzige
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1: eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in stark vereinfachter Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Messvorrichtung hat eine Messkammer 2 zur Aufnahme einer flüssigen oder gasförmigen Probe.
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Die Messkammer 2 kann Bestandteil einer Probenleitung 3 sein, mit welcher die zu untersuchende Probe kontinuierlich durch die Messkammer 2 leitbar ist. Auf diese Weise ist das noch weiter zu beschreibende Verfahren kontinuierlich ausführbar.
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Die Messvorrichtung 1 hat eine Lichtquelle 4, mit welcher ein modulierter Lichtstrahl 5 erzeugbar und in die Messkammer 2 einstrahlbar ist.
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Die Lichtquelle 4 ist hierzu an eine nicht weiter dargestellte Ansteuerungselektronik angeschlossen, um in an sich bekannter Weise einen frequenz- und/oder amplitudenmodulierten Lichtstrahl 5 bereitzustellen. Zusätzlich ist die Lichtquelle 5 gepulst betreibar, um Zeitfenster oder Zeitabschnitte zu schaffen, in denen die Lichtquelle 5 kontrolliert inaktiv ist.
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Der eingestrahlte Lichtstrahl 5 trifft auf einen Bestandteil 6 der nicht weiter dargestellten flüssigen oder gasförmigen Probe in der Messkammer 2.
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Die Wellenlänge des Lichtstrahls 5 ist hierbei auf eine Absorptionswellenlänge des Bestandteils 6 abgestimmt, so dass der Bestandteil 6 mit dem modulierten Lichtstrahl 5 anregbar ist.
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Durch einen physikalischen oder chemischen Prozess an oder in dem Bestandteil 6, beispielsweise durch Raman-Streuung und/oder Fluoreszenz, ergibt sich eine Wechselwirkung des Lichtstrahls 5 mit dem Bestandteil 6. Durch diese Wechselwirkung wird eine elektromagnetische Strahlung 8, beispielsweise sichtbares und/oder infrarotes und/oder ultraviolettes Licht, von oder an dem Bestandteil 6 erzeugt.
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Diese Strahlung 7 wird durch ein Austrittsfenster 8 der Messkammer 2 einem piezoaktiven Element 9 zu geführt. Das Austrittsfenster 8 ist hierbei für die erzeugte Strahlung 7 optisch transparent und gasdicht ausgebildet.
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Das piezoaktive Element 9 ist somit außerhalb der Messkammer 2 derart angeordnet, dass die erzeugte Strahlung 7 als durch das Austrittsfenster 8 abgestrahlte Strahlung zumindest teilweise erfassbar ist.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das piezoaktive Element 9 auch innerhalb der Messkammer 2 angeordnet sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bewirkt die mit dem piezoaktiven Element 9 erfasste Strahlung 7 eine Deformation des piezoaktiven Elements 9, die elektrisch erfassbar ist. Hierzu ist das piezoaktive Element 9 zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Intensität und/oder von dem Strahlungsdruck der erfassten Strahlung eingerichtet.
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Der Strahlungsdruck der Strahlung bewirkt somit die mechanische Verformung des piezoaktiven Elements 9. Der eingestrahlte Lichtstrahl 5 ist mit einer Modulationsfrequenz moduliert, welche sich auf die abgestrahlte Strahlung 7 überträgt. Diese Modulationsfrequenz der Strahlung 7 bewirkt eine Anregung des piezoaktiven Elements 9 mit der Modulationsfrequenz. Diese Anregung ist durch elektronische Auswertung detektierbar.
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Eine Auswerteelektronik 10 ist zur Auswertung dieses elektrischen Ausgangssignals eingerichtet.
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Die Oberfläche des piezoelektrischen Elements 9 definiert einen Auftreffbereich 11, welcher für die Strahlung 7 absorbierend ausgebildet ist, um den Strahlungsdruck der Strahlung 7 zu erfassen.
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Zwischen der Messkammer 2 und dem piezoelektrischen Element 9 ist eine Abbildungsoptik 12 angeordnet, mit welcher die erzeugte Strahlung 7 aus einem Anregungsbereich in der Messkammer 2 aufsammelbar ist. Die Abbildungsoptik 12 kann hierzu einen optischen Trichter oder Winston-Cone realisieren.
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Die Abbildungsoptik 12 ist zumindest teilweise aus einem dispersiven Material gefertigt, mit welchem Spektralanteile 14, 15 der Strahlung 7 räumlich trennbar sind.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist beispielsweise ein Spektralanteil 14 mit dem piezoaktiven Element 9 erfassbar, während ein weiterer Spektralanteil 15 in einen anderen Winkel abgelenkt wird und nicht auf den Auftreffbereich 11 des piezoaktiven Elements 9 trifft.
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Der Spektralanteil 15 ist bei einem Ausführungsbeispiel mit einem nicht weiter dargestellten, weiteren piezoaktiven Element, welches analog zu dem piezoaktiven Element 9 ausgebildet sein kann, erfassbar.
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Die Abbildungsoptik 12 umfasst zusätzlich einen nicht weiter dargestellten optischen Filter, welcher für den Lichtstrahl 5 bzw. dessen Wellenlänge undurchlässig ist. Somit ist der direkte Einfluss des Lichtstrahls 5 auf die Messung eliminierbar.
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Das piezoaktive Element 9 ist an einem Resonanzelement 16 ausgebildet und weist somit eine Resonanzfrequenz auf.
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Die Modulationsfrequenz des modulierten Lichtstrahls 5 ist auf diese Resonanzfrequenz abgestimmt, so dass die mit der Abbildungsoptik 12 erfasste Strahlung dem modulierten Lichtstrahl 5 zuordenbar ist, wenn die Modulationsfrequenz der Strahlung 7 mit der Resonanzfrequenz des Resonanzelements 16 übereinstimmt.
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Das Resonanzelement 16 kann beispielsweise als Mikrostimmgabel ausgebildet sein, wie dies in 1 angedeutet ist.
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Mit der Auswerteelektronik 10 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals des piezoaktiven Elements 9 und somit der zeitliche Verlauf der Intensität und/oder des Strahlungsdrucks der erfassten Strahlung 7 zur Auswertung bereitstellbar.
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Bei der Durchführung des Verfahrens zur Untersuchung eines Bestandteils einer flüssigen oder gasförmigen Probe kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle 4 in Zeitfenstern inaktiv oder dunkel ist. Die Auswerteelektronik 10 steht in Steuerungsverbindung mit der Lichtquelle 4, um eine Auswertung des Ausgangssignals des piezoaktiven Elements nur in diesen Zeitfenstern durchzuführen. Somit kann die Intensität und/oder der Strahlungsdruck der Strahlung 7 zu Zeitpunkten gemessen werden, in welchen kein störender Einfluss durch direkte Bestrahlung des piezoaktiven Elements 9 mit dem Lichtstrahl 5 erfolgen kann.
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Es sei noch erwähnt, dass die Verwendung einer dispersiven Abbildungsoptik 12 besonders dann von Vorteil ist, wenn Raman-Streuung an dem Bestandteil 6 untersucht werden soll.
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Bei der Messvorrichtung 1, welche mit einer Messkammer 2 und einer Lichtquelle 4 zur Untersuchung eines Bestandteils 6 einer flüssigen oder gasförmigen Probe eingerichtet ist, wird vorgeschlagen, die von oder an dem Bestandteil 6 mit der Lichtquelle 4 erzeugte Strahlung 7 mit einem piezoaktiven Element 9 zu absorbieren, wobei das piezoaktive Element 9 ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welche durch die Intensität und/oder den Strahlungsdruck der erfassten Strahlung 7 bestimmt oder beeinflusst ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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