DE102018129807A1 - Method and system for classifying chemical and biological substances - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Charakterisierung chemischer und/oder biologischer Stoffe.The invention relates to a method and a system for characterizing chemical and / or biological substances.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen.The present invention relates to a method for the classification of chemical and biological substances, in particular of hazardous substances.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen.Furthermore, the present invention relates to a system for the classification of chemical and biological substances, in particular of hazardous substances.
Es ist bekannt, chemische Stoffe mittels zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zu untersuchen und zu klassifizieren. Ist beispielsweise in der
Zur Detektion von Gefahrstoffen können jedoch auch andere spektroskopische Verfahren wie zum Beispiel die Raman-Spektroskopie oder die laserinduzierte Plasmaspektroskopie eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in der
Nachteile bekannter zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie-Verfahren ist insbesondere, dass eine Datenaufnahme sehr lange dauert. Für einen Messzyklus werden etwa 6 Minuten benötigt. Die Messzeit kann sich noch weiter verlängern, wenn bei unterschiedlichen Anregungswellen spektroskopiert wird. Zudem sind Aufbauten hierfür hochkomplex.Disadvantages of known time-resolved fluorescence spectroscopy method is in particular that a data acquisition takes a long time. It takes about 6 minutes for a measuring cycle. The measuring time can be extended even further if spectroscopy is carried out at different excitation wavelengths. In addition, superstructures are highly complex for this purpose.
Bei Raman-spektroskopischen Verfahren ergeben sich aufgrund der dem Verfahren typischen geringen Signalintensität sehr lange Messzeiten.Raman spectroscopic methods give very long measurement times due to the low signal intensity typical of the method.
Bei der laserinduzierten Plasmaspektroskopie werden zudem für die Erzeugung des Plasmas sehr hohe Laserintensitäten benötigt. Dies ermöglicht keinen augensicheren Betrieb und limitiert dadurch insbesondere eine Anwendung für die Gefahrstoffdetektion, beispielsweise bei Personenkontrollen an Flughäfen.Laser-induced plasma spectroscopy also requires very high laser intensities for the generation of the plasma. This does not allow eye-safe operation and thereby limits in particular an application for the detection of hazardous substances, for example in person checks at airports.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Systeme zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to improve methods and systems for classifying chemical and biological substances.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, bei welchem Verfahren eine mindestens einen chemischen Stoff enthaltende, umfassende oder tragende Probe mit mindestens einem Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einem Laserpuls, einer Anregungswellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird, bei welchem Verfahren eine Intensität von von der Probe aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung wellenlängenabhängig gemessen wird und bei welchem Verfahren ein Abfall der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich zeitabhängig gemessen wird, bei welchem Verfahren mindestens ein Referenzspektrum in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und in Form mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs bereitgestellt wird, wobei die gemessene wellenlängenabhängige Intensität und die gemessene zeitabhängige Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum verglichen werden zum Bestimmen, ob die Probe den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.This object is achieved according to the invention by a method for classifying chemical and biological substances, in particular hazardous substances, in which process a comprehensive or supporting sample containing at least one chemical substance is excited to fluoresce with at least one excitation pulse of electromagnetic radiation, in particular a laser pulse, of an excitation wavelength in which method an intensity of fluorescence radiation emitted by the sample on the basis of the excitation with the at least one excitation pulse is measured as a function of wavelength and in which method a decrease of the intensity of the fluorescence radiation emitted by the sample is measured as a function of time for at least one wavelength and / or one wavelength range, in which method at least one reference spectrum in the form of at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum of at least one chemical and / or biological substance and in Form the at least one time-dependent reference fluorescence spectrum of the at least one chemical and / or biological substance, the measured wavelength-dependent intensity and the measured time-dependent intensity of the fluorescence radiation emitted by the sample being compared with the at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum and the at least one time-dependent reference fluorescence spectrum for determining whether or not the sample contains at least one chemical and / or biological substance of a class.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es auf einfache Weise, chemische und biologische Stoffe zu detektieren und sicher zu klassifizieren, indem sowohl ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum der Probe aufgenommen als auch eine Zeitabhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung der Probe gemessen werden. Fluoreszenzsignaturen sind spektral sehr breit, so dass beispielsweise können unterschiedliche Bakterien nur unter sehr eingeschränkten Bedingungen voneinander unterschieden werden. Durch die beiden unterschiedlichen Messmethoden können quasi zwei nicht redundante Signaturen der Probe genommen und mit entsprechenden Referenzspektren verglichen werden. Insbesondere können diese Messungen gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig erfolgen, so dass eine Messzeit im Vergleich zu bekannten Verfahren deutlich reduziert werden kann. Insbesondere können so chemische Stoffe praktisch in Echtzeit klassifiziert werden. Es sind hierfür nur einige wenige Sekunden Messzeit erforderlich. Durch die wellenlängenabhängige Messung einerseits und die zeitabhängige Messung andererseits können Proben in kürzerer Zeit wesentlich zuverlässiger klassifiziert werden. Durch die Anwendung der Fluoreszenzspektroskopie mit Anregung im ultravioletten Spektralbereich können insbesondere augensichere Strahlungsquellen eingesetzt werden, wodurch es ermöglicht wird, das Verfahren zur Echtzeituntersuchung von Personen auf eine Kontamination mit Gefahrstoffen beispielsweise bei Sicherheitskontrollen einzusetzen.The method proposed according to the invention makes it possible in a simple manner to detect and reliably classify chemical and biological substances by both recording a wavelength-dependent fluorescence spectrum of the sample and measuring a time-dependence of the fluorescence radiation of the sample. Fluorescence signatures are spectrally very broad, so that, for example, different bacteria can only be distinguished from one another under very limited conditions. As a result of the two different measuring methods, virtually two non-redundant signatures of the sample can be taken and compared with corresponding reference spectra. In particular, these measurements can take place simultaneously or virtually simultaneously, so that a measuring time can be significantly reduced in comparison with known methods. In particular, such chemical substances can be classified practically in real time. Only a few seconds of measurement time are required for this. By the wavelength-dependent measurement on the one hand and the time-dependent measurement on the other hand, samples in a shorter time can be classified much more reliable. Through the application of fluorescence spectroscopy with excitation in the In particular, eye-safe radiation sources can be used in the ultraviolet spectral range, making it possible to use the method for the real-time examination of persons for contamination with hazardous substances, for example in security controls.
Günstig ist es, wenn die wellenlängenabhängige Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung und die Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise hat insbesondere den Vorteil, dass die Messzeit insgesamt zur Detektion und Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe signifikant reduziert werden kann. Das wellenlängenabhängige Spektrum und das zeitabhängige Spektrum werden also nicht nacheinander aufgenommen, sondern gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig. Auf diese Weise kann zudem erreicht werden, dass die aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Puls emittierte Fluoreszenzstrahlung sowohl wellenlängenabhängig als auch zeitaufgelöst gemessen wird. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Signale auch tatsächlich von derselben Probe stammen. Beispielsweise kann ein Teil der Fluoreszenzstrahlung vor der wellenlängenabhängigen Messung mit einem Spektrometer über einen Strahlteiler ausgekoppelt werden, um das Zeitsignal, also den zeitlichen Verlauf des Abfalls der Fluoreszenzstrahlung, zu messen.It is favorable if the wavelength-dependent measurement of the intensity of the fluorescence radiation emitted by the sample and the measurement of the time-dependent decrease of the fluorescence radiation emitted by the sample are carried out simultaneously or substantially simultaneously. This approach has the particular advantage that the total measurement time for the detection and classification of chemical and / or biological substances can be significantly reduced. The wavelength-dependent spectrum and the time-dependent spectrum are therefore not recorded successively, but simultaneously or substantially simultaneously. In this way it can also be achieved that the fluorescence radiation emitted on the basis of the excitation with the at least one pulse is measured both as a function of wavelength and as a time-resolved method. In particular, this ensures that the signals actually originate from the same sample. For example, part of the fluorescence radiation can be coupled out before the wavelength-dependent measurement with a spectrometer via a beam splitter, in order to measure the time signal, that is to say the time profile of the drop in fluorescence radiation.
Vorteilhafterweise wird die Probe mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Anregungspulsen eingesetzt werden. Die Messungen können so beispielsweise mit einer hohen Wiederholrate durchgeführt werden, wodurch es ermöglicht wird, die Messsignale aufzuaddieren und zeitlich zu mitteln. Dies ermöglicht es insbesondere, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Die mindestens zwei Anregungspulse magnetischer Strahlung können insbesondere dieselbe Wellenlänge aufweisen.Advantageously, the sample is excited with at least two excitation pulses of electromagnetic radiation in a short time interval from each other to the fluorescence. In particular, a plurality of excitation pulses can be used. The measurements can thus be carried out, for example, with a high repetition rate, which makes it possible to add up and time the measurement signals. This makes it possible in particular to achieve a good signal-to-noise ratio. The at least two excitation pulses of magnetic radiation can in particular have the same wavelength.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Probe mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Probe angeregt wird. Beispielsweise können zwei zeitlich voneinander beabstandete Anregungspulse mit unterschiedlicher Anregungswellenlänge die Probe zur Fluoreszenz anregen. Es werden dann zu jedem Anregungspuls sowohl ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum als auch ein zeitaufgelöster Verlauf des Fluoreszenzsignals gemessen. Auch diese Vorgehensweise kann mit einer hohen Wiederholrate durchgeführt werden, so dass für zwei unterschiedliche Anregungswellenlängen sowohl ein zeitlich gemitteltes wellenlängenabhängiges Spektrum als auch ein zeitaufgelöstes Spektrum bestimmt werden können. Auf diese Weise lassen sich Proben noch besser charakterisieren, da so insgesamt vier oder mehr charakteristische Spektren der Probe bestimmt werden können. Dieses Vorgehen lässt sich grundsätzlich auch mit drei, vier oder mehr Anregungspulsen, die jeweils eine unterschiedliche Anregungswellenlänge aufweisen, durchführen. Allerdings verlängert sich dann die Messzeit insgesamt entsprechend. Furthermore, it is advantageous if the sample is excited with at least two excitation pulses of electromagnetic radiation of different excitation wavelengths in a short time interval from one another to the sample. For example, two excitation pulses with different excitation wavelength spaced apart from each other in time can excite the sample to fluoresce. Both a wavelength-dependent fluorescence spectrum and a time-resolved course of the fluorescence signal are then measured for each excitation pulse. This procedure can also be carried out with a high repetition rate, so that both a time-averaged wavelength-dependent spectrum and a time-resolved spectrum can be determined for two different excitation wavelengths. In this way, samples can be characterized even better, as a total of four or more characteristic spectra of the sample can be determined. In principle, this procedure can also be carried out with three, four or more excitation pulses, each of which has a different excitation wavelength. However, the total measurement time will be extended accordingly.
Um ein hinreichend starkes Fluoreszenzsignal zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der der mindestens eine Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung einer Anregungswellenlänge mit mindestens einem Anregungslaser erzeugt wird. Insbesondere kann hier auch nur ein einziger Anregungslaser eingesetzt werden.In order to obtain a sufficiently strong fluorescence signal, it is advantageous if the at least one excitation pulse of electromagnetic radiation of an excitation wavelength is generated with at least one excitation laser. In particular, only a single excitation laser can be used here.
Vorzugsweise werden die mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle erzeugt. Dies vereinfacht einen Aufbau eines Systems zur Durchführung eines Verfahrens zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe signifikant.Preferably, the at least two excitation pulses are generated with a single radiation source. This significantly simplifies a construction of a system for carrying out a method for classifying chemical and / or biological substances.
Günstigerweise werden die mindestens zwei Anregungspulse unterschiedlicher Wellenlänge mit einer monochromatischen Strahlungsquelle im Zusammenwirken mit einer nichtlinearen Optik erzeugt. Es können auch monochromatische Strahlungsquellen, also insbesondere Laser, eingesetzt werden, die monochromatische elektromagnetische Strahlung mit zwei oder mehr definierten Wellenlängen emittieren.Conveniently, the at least two excitation pulses of different wavelengths are generated with a monochromatic radiation source in cooperation with a nonlinear optics. It is also monochromatic radiation sources, so in particular lasers are used, which emit monochromatic electromagnetic radiation having two or more defined wavelengths.
Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei Anregungspulse von der Strahlungsquelle gleichzeitig erzeugt und anschließend zeitlich separiert werden. Dies ermöglicht insbesondere einen einfachen Systemaufbau insofern, als eine zeitliche Korrelation der mindestens zwei Anregungspulse, insbesondere wenn diese eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen, nicht durch eine komplexe Ansteuerung, insbesondere Triggerung, des Lasers erfolgen muss. Vielmehr kann eine definierte zeitliche Separation beispielsweise durch eine Verzögerungseinrichtung in Form einer Verzögerungsstrecke erreicht werden.It is advantageous if the at least two excitation pulses are generated simultaneously by the radiation source and then separated in time. In particular, this makes possible a simple system structure in that a temporal correlation of the at least two excitation pulses, in particular if they have a different wavelength, does not have to be effected by complex activation, in particular triggering, of the laser. Rather, a defined temporal separation can be achieved for example by a delay device in the form of a delay line.
Vorzugsweise werden die die mindestens zwei Anregungspulse zeitlich derart separiert werden, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe. So kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Spektren der Probe, die wellenlängenabhängig und zeitabhängig gemessen werden, jeweils nur einem der mindestens zwei Anregungspulse zugeordnet werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die zwei Anregungspulse unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.Preferably, the at least two excitation pulses will be separated in time such that a time interval between two successive excitation pulses is greater than a fluorescence decay time of the sample. In particular, it can be ensured that the spectra of the sample, the be measured wavelength dependent and time-dependent, are each assigned to only one of the at least two excitation pulses. This is particularly advantageous if the two excitation pulses have different wavelengths.
Günstigerweise wird mit den mindestens zwei Anregungspulsen derselbe räumliche Bereich der Probe angeregt. So kann insbesondere erreicht werden, dass stets dieselben an der Probe anhaftenden Stoffe detektiert werden. Insbesondere bei Anregung mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen kann so sichergestellt werden, dass die gemessenen Spektren demselben Stoff zugeordnet werden können.Conveniently, the same spatial region of the sample is excited with the at least two excitation pulses. Thus, in particular, it can be achieved that the same substances adhering to the sample are always detected. In particular, when excited with different excitation wavelengths can thus be ensured that the measured spectra can be assigned to the same substance.
Vorteilhaft ist es, wenn die aufgrund des mindestens einen Anregungspulses von der Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung mit einen Spektrometer wellenlängenabhängig gemessen wird. Auf diese Weise kann insbesondere ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum auf einfache Weise ermittelt werden. Mit dem Spektrometer wird die Fluoreszenzstrahlung räumlich aufgespalten, beispielsweise mit einem dispersiven optischen Element wie einem Gitter oder einem Prisma. Durch diese wellenlängenabhängig räumliche Aufspaltung der Fluoreszenzstrahlung kann dann mit einem oder mehreren Detektoren die Intensität der Fluoreszenzstrahlung für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche auf einfache Weise detektiert und in elektrische beziehungsweise elektronische Messsignale umgewandelt werden.It is advantageous if the fluorescence radiation emitted by the sample on the basis of the at least one excitation pulse is measured with a spectrometer depending on the wavelength. In this way, in particular a wavelength-dependent fluorescence spectrum can be determined in a simple manner. With the spectrometer, the fluorescence radiation is spatially split, for example with a dispersive optical element such as a grating or a prism. By means of this wavelength-dependent spatial splitting of the fluorescence radiation, the intensity of the fluorescence radiation for different wavelengths or wavelength ranges can then be detected in a simple manner with one or more detectors and converted into electrical or electronic measurement signals.
Eine Auswertung, insbesondere eine automatische Auswertung, der ermittelten Spektren lässt sich insbesondere dadurch vereinfachen, dass mit dem Spektrometer wellenlängenabhängig elektronische Messsignale erzeugt werden.An evaluation, in particular an automatic evaluation, of the determined spectra can be simplified, in particular, by generating electronic measuring signals with the spectrometer depending on the wavelength.
Günstig ist es, wenn ein Teil der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale ausgekoppelt und ein Intensitätsverlauf derselben zeitabhängig gemessen wird. Dies kann insbesondere mit einem Oszilloskop oder einer schnellen Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer erfolgen. Mit dieser Vorgehensweise wird also nicht ein Teil der Fluoreszenzstrahlung ausgekoppelt und deren zeitlicher Verlauf gemessen, sondern ein Teil der bereits erzeugten elektronischen Messsignale wird ausgekoppelt und deren zeitlicher Verlauf gemessen. Auf diese Weise wird kein Einfluss auf die Messung des wellenlängenabhängigen Fluoreszenzspektrums genommen. Zudem kann so insbesondere sichergestellt werden, dass die Messung sowohl des wellenlängenabhängigen Spektrums als auch des zeitabhängigen Spektrums gleichzeitig erfolgt. Des Weiteren lässt sich so ein Aufbau eines Systems zur Durchführung des Verfahrens zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe signifikant vereinfachen.It is favorable if a part of the wavelength-dependent generated electronic measuring signals is coupled out and an intensity profile of the same is measured as a function of time. This can be done in particular with an oscilloscope or a fast analog-to-digital converter card for a computer. With this procedure, therefore, not a part of the fluorescence radiation is coupled out and its temporal course is measured, but a part of the already generated electronic measurement signals is decoupled and their time course measured. In this way no influence on the measurement of the wavelength-dependent fluorescence spectrum is taken. In addition, it can thus be ensured in particular that the measurement of both the wavelength-dependent spectrum and the time-dependent spectrum takes place simultaneously. Furthermore, such a construction of a system for carrying out the method for classifying chemical and / or biological substances can be significantly simplified.
Vorteilhafterweise werden die wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum gemittelt. Auf diese Weise lassen sich sowohl wellenlängenabhängige als auch zeitabhängige Fluoreszenzspektren mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis messen. Dadurch lassen sich chemische Stoffe sicher und mit hoher Genauigkeit in kurzer Zeit klassifizieren.Advantageously, the wavelength-dependent generated electronic measurement signals are averaged over a measurement period. In this way, both wavelength-dependent and time-dependent fluorescence spectra can be measured with a good signal-to-noise ratio. As a result, chemical substances can be classified safely and with high accuracy in a short time.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein System zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, welches System mindestens eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere in Form eines Lasers, zum Erzeugen mindestens eines Anregungspulses zum Anregen einer mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltenden, umfassenden oder tragenden Probe zur Fluoreszenz umfasst, welches System eine erste Spektroskopieeinrichtung zum wellenlängenabhängigen Messen einer Intensität von von der Probe aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung und eine zweite Spektroskopieeinrichtung zum zeitabhängigen Messen einer Intensität der von der emittierten Fluoreszenzstrahlung für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich umfasst, welches System eine Speichereinrichtung zum Speichern mindestens eines Referenzspektrums in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen Stoffs und mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs umfasst und welches System eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der gemessenen wellenlängenabhängigen Intensität und der gemessenen zeitabhängigen Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum umfasst zum Bestimmen, ob die Probe den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.The object stated at the outset is furthermore achieved by a system for classifying chemical and / or biological substances, in particular hazardous substances, which system has at least one electromagnetic radiation source, in particular in the form of a laser, for generating at least one excitation pulse for exciting at least one chemical and / or which system comprises a first spectroscopy device for wavelength-dependent measurement of an intensity of fluorescence radiation emitted by the sample due to excitation with the at least one excitation pulse and a second spectroscopy device for time-dependent measurement of an intensity of the emitted fluorescence radiation for at least one wavelength and / or a wavelength range, which system comprises a memory device for storing at least one reference spectrum in the form of at least one wel and at least one time-dependent reference fluorescence spectrum of the at least one chemical and / or biological substance and which system comprises comparison means for comparing the measured wavelength-dependent intensity and the measured time-dependent intensity of the fluorescence radiation emitted by the sample with the at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum and the at least one time-dependent reference fluorescence spectrum comprises for determining whether or not the sample contains the at least one chemical and / or biological substance of a substance class.
Bei einem solchen System kann im Vergleich zu bekannten Systemen bei gleicher Genauigkeit beziehungsweise Treffsicherheit bei der Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe wesentlich schneller ermittelt werden, ob die Probe einer bestimmten chemischen und/oder biologischen Stoffklasse zugeordnet werden kann. Durch die zeitabhängige Fluoreszenzspektroskopie können zusätzliche Informationen zur Charakterisierung chemischer Stoffe ermittelt werden, die für diese charakteristisch sind. So kann beispielsweise eine bessere Unterscheidung erreicht werden zwischen unterschiedlichen Stoffen, die sehr ähnliche wellenlängenabhängige Fluoreszenzspektren aufweisen. Umgekehrt können sehr ähnliche Zeitabhängigkeiten der Fluoreszenz unterschiedlicher Stoffe deutlicher unterschieden werden, wenn zu diesen gleichzeitig wellenlängenabhängige Fluoreszenzspektren aufgenommen werden. Ferner ist es insbesondere möglich, mit einem derartigen System in Echtzeit Proben zu untersuchen, beispielsweise lokalisierte Aerosole oder Kontaminationen auf entfernten Oberflächen, zum Beispiel von Autos, zu charakterisieren.In such a system can be determined significantly faster compared to known systems with the same accuracy or accuracy in the classification of chemical and / or biological substances, whether the sample of a particular chemical and / or biological class can be assigned. Time-dependent fluorescence spectroscopy can provide additional information on the Characterization of chemical substances that are characteristic of them. For example, a better distinction can be achieved between different substances that have very similar wavelength-dependent fluorescence spectra. Conversely, very similar time dependencies of the fluorescence of different substances can be distinguished more clearly if wavelength-dependent fluorescence spectra are recorded at the same time. Furthermore, it is particularly possible to use such a system to examine in real time samples, for example, to characterize localized aerosols or contaminants on remote surfaces, for example cars.
Günstig ist es, wenn dass das System ausgebildet ist zum zeitgleichen oder im Wesentlichen zeitgleichen Durchführen der wellenlängenabhängigen Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit der ersten Spektroskopieeinrichtung und der Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit der zweiten Spektroskopieeinrichtung. Insbesondere kann die erste Spektroskopieeinrichtung die zweite Spektroskopieeinrichtung mindestens teilweise umfassen. Beispielsweise kann ein optischer Aufbau beiden Spektroskopieeinrichtungen gemeinsam sein oder von diesen gemeinsam genutzt werden. Die zeitgleiche oder im Wesentlichen zeitgleiche Durchführung der Messungen ermöglicht es insbesondere, sicherzustellen, dass die untersuchte Fluoreszenzstrahlung tatsächlich von denselben Stoffen der Probe stammt. Zudem wird so signifikant Zeit bei der Messung gewonnen, so dass diese in Echtzeit innerhalb weniger Sekunden ein zuverlässiges Ergebnis liefern kann, ob die Probe einen bestimmten chemischen Stoff umfasst, enthält oder trägt.It is favorable if the system is designed to carry out the wavelength-dependent measurement of the intensity of the fluorescence radiation emitted by the sample simultaneously with the first spectroscopy device and to measure the time-dependent decrease of the fluorescence radiation emitted by the sample with the second spectroscopy device. In particular, the first spectroscopy device may at least partially comprise the second spectroscopy device. For example, an optical structure may be common to or shared by both spectroscopy devices. The simultaneous or substantially simultaneous performance of the measurements makes it possible, in particular, to ensure that the fluorescence radiation under investigation actually originates from the same substances of the sample. In addition, time is gained so significantly in the measurement that, in real time, within a few seconds, it can provide a reliable result as to whether the sample comprises, contains or carries a particular chemical.
Günstig ist es, wenn das System ausgebildet ist zum Anregen der Probe zur Fluoreszenz mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander. Insbesondere kann das System ausgebildet sein zur Durchführung und wiederholter Anregung der Probe, so dass die Messsignale über die Gesamtmesszeit aufaddiert und gemittelt werden können, um ein Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zu optimieren. Die mindestens zwei Anregungspulse können insbesondere identische oder unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.It is favorable if the system is designed to excite the sample for fluorescence with at least two excitation pulses of electromagnetic radiation in a short time interval from one another. In particular, the system may be designed to carry out and repeatedly excite the sample so that the measurement signals can be added up and averaged over the total measurement time in order to optimize a signal-to-noise ratio of the measurement. The at least two excitation pulses may in particular have identical or different wavelengths.
Vorteilhaft ist es, wenn das System ausgebildet ist zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander. So kann mit einem ersten Anregungspuls ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum und ein zeitabhängiges Fluoreszenzspektrum aufgenommen werden, wenn die Probe mit der ersten Anregungswellenlänge angeregt wird. In einem kurzen Zeitabstand danach wird die Probe mit einem zweiten Anregungspuls mit anderer Anregungswellenlänge angeregt und zu diesem Anregungspuls ebenfalls ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum und ein zeitabhängiges Fluoreszenzspektrum aufgenommen. Auf diese Weise können innerhalb des definierten kurzen Zeitabstands vier Messungen durchgeführt werden, die charakteristische Ergebnisse für die zu detektierenden und zu klassifizierenden chemischen und/oder biologischen Stoffe liefern. Diese Doppelmessungen können dann auch wiederum mehrfach hintereinander in identischer Weise durchgeführt werden mit einer hohen Wiederholrate, wobei vorzugsweise sichergestellt wird, dass sich die einzelnen Messungen nicht zeitlich überlappen. Durch eine mehrfache Durchführung der Messungen über einige wenige Sekunden können insbesondere die jeweiligen Spektren aufaddiert und gemittelt werden, um ein Signal-Rausch-Verhältnis der Untersuchungsergebnisse zu verbessern.It is advantageous if the system is designed to generate at least two excitation pulses of electromagnetic radiation of different excitation wavelengths in a short time interval from one another. Thus, with a first excitation pulse, a wavelength-dependent fluorescence spectrum and a time-dependent fluorescence spectrum can be recorded if the sample is excited at the first excitation wavelength. In a short time interval thereafter, the sample is excited with a second excitation pulse having a different excitation wavelength, and a wavelength-dependent fluorescence spectrum and a time-dependent fluorescence spectrum are also recorded for this excitation pulse. In this way, four measurements can be carried out within the defined short time interval, which provide characteristic results for the chemical and / or biological substances to be detected and classified. These double measurements can in turn be carried out several times in an identical manner with a high repetition rate, wherein it is preferably ensured that the individual measurements do not overlap in time. By carrying out the measurements several times over a few seconds, in particular the respective spectra can be added up and averaged in order to improve a signal-to-noise ratio of the examination results.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Strahlungsquelle in Form eines Anregungslasers ausgebildet. Mit einem Laser lassen sich ausreichend hohe Anregungsintensitäten erzeugen, im speziellen auch auf Distanzen von einigen bis zu einigen 100 Metern, um gut messbare Fluoreszenzsignale von der Probe zu erhalten. Insbesondere können auch zwei oder mehr unterschiedliche Strahlungsquellen und insbesondere Anregungslaser vom System umfasst sein, um Anregungspulse mit entsprechend unterschiedlichen Anregungswellenlängen zu erzeugen.Preferably, the at least one radiation source is designed in the form of an excitation laser. With a laser, sufficiently high excitation intensities can be generated, in particular also at distances of a few to a few hundred meters, in order to obtain easily measurable fluorescence signals from the sample. In particular, two or more different radiation sources and in particular excitation lasers may also be included in the system in order to generate excitation pulses with correspondingly different excitation wavelengths.
Vorteilhaft ist es, wenn das System ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle. Auf diese Weise lässt sich ein Gesamtaufbau des Systems deutlich vereinfachen. Vorzugsweise können mit der einzigen Strahlungsquelle Anregungspulse mit unterschiedlicher Wellenlänge generiert werden. Hierfür können insbesondere Laser einsetzt werden, welche zwei oder mehr Emissionslinien aufweisen.It is advantageous if the system is designed to generate the at least two excitation pulses with a single radiation source. In this way, a total structure of the system can be significantly simplified. Preferably, excitation pulses of different wavelengths can be generated with the single radiation source. For this purpose, in particular lasers can be used which have two or more emission lines.
Günstig ist es, wenn das System mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle und eine mit dieser zusammenwirkende nichtlineare Optik umfasst zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen unterschiedlicher Wellenlänge. Wird beispielsweise als monochromatische Strahlungsquelle ein Laser eingesetzt, kann mit einer mit diesem zusammenwirkenden nichtlinearen Optik eine Emissionslinie des Lasers durch Frequenzvervielfachung zu einer anderen Wellenlänge hin verändert werden. So kann auf einfache Weise mit einer einzigen Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden.It is favorable if the system comprises at least one monochromatic radiation source and a nonlinear optical system cooperating therewith for producing at least two excitation pulses of different wavelengths. If, for example, a laser is used as the monochromatic radiation source, an emission line of the laser can be changed by frequency multiplication to a different wavelength with a nonlinear optics cooperating therewith. So can easily With a single radiation source electromagnetic radiation with different wavelengths are generated.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das System ausgebildet ist zum gleichzeitigen Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse und dass das System eine Verzögerungseinrichtung umfasst zum zeitlichen Separieren der gleichzeitig erzeugten mindestens zwei Anregungspulse. Eine derartige Verzögerungseinrichtung vereinfacht den Aufbau des Systems, da insbesondere keine aufwendige Triggerung der Anregungspulse erforderlich ist. Werden die beiden Anregungspulse gleichzeitig emittiert, können sie durch die Verzögerungseinrichtung, beispielsweise eine optische Verzögerungsstrecke, zeitlich separiert werden, indem einer der beiden Pulse direkt auf die Probe geschickt wird, der andere Puls zunächst die Verzögerungseinrichtung durchläuft. So lassen sich definierte zeitliche Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen hochpräzise vorgeben, nämlich insbesondere durch Einstellung einer Länge einer Verzögerungsstrecke der Verzögerungseinrichtung.According to a further preferred embodiment of the invention, it can be provided that the system is designed to simultaneously generate the at least two excitation pulses and that the system comprises a delay device for temporally separating the simultaneously generated at least two excitation pulses. Such a delay device simplifies the structure of the system, since in particular no complicated triggering of the excitation pulses is required. If the two excitation pulses are emitted simultaneously, they can be separated in time by the delay device, for example an optical delay path, by sending one of the two pulses directly to the sample, the other pulse first passing through the delay device. Thus, defined time intervals between successive pulses can be specified with high precision, namely in particular by setting a length of a delay path of the delay device.
Günstig ist es, wenn die Verzögerungseinrichtung ausgebildet ist zum zeitlichen Separieren der mindestens zwei Anregungspulse derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Fluoreszenz der Probe infolge der Anregung mit einem ersten Puls vollständig abgeklungen ist, wenn die Probe mit einem zweiten, darauf folgenden Puls, erneut zur Fluoreszenz angeregt wird. So lassen sich zudem auch die Emissionen der Probe infolge der Anregungen mit den unterschiedlichen Pulsen vollständig voneinander trennen, so dass insbesondere bei Anregung mit unterschiedlicher Anregungswellenlänge definiert getrennte Spektren aufgenommen werden können.It is advantageous if the delay device is designed to separate the at least two excitation pulses over time in such a way that a time interval between two successive excitation pulses is greater than a fluorescence decay time of the sample. In this way it can be ensured that a fluorescence of the sample has completely decayed as a result of the excitation with a first pulse when the sample is excited again to fluorescence with a second, subsequent pulse. Thus, in addition, the emissions of the sample can be completely separated from one another as a result of the excitations with the different pulses, so that defined spectra can be recorded in particular when excited with different excitation wavelengths.
Um sicherzustellen, dass die Fluoreszenzspektren, die infolge Anregungen mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen gemessen werden, auch von denselben Stoffen der Probe stammen, ist es günstig, wenn das System ausgebildet ist zum Anregen desselben räumlichen Bereichs der Probe mit den mindestens zwei Anregungspulsen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass ein optischer Aufbau so vorgesehen wird, dass optische Achsen für die aufeinanderfolgenden Anregungspulse zusammenfallen.In order to ensure that the fluorescence spectra which are measured as a result of excitations with different excitation wavelengths also originate from the same substances of the sample, it is favorable if the system is designed to excite the same spatial region of the sample with the at least two excitation pulses. This can be achieved, in particular, by providing an optical setup such that optical axes coincide for the successive excitation pulses.
Günstig ist es, wenn die erste Spektroskopieeinrichtung eine wellenlängenabhängige Detektionseinrichtung umfasst. Insbesondere kann es sich dabei um ein Elektronenvervielfacher-Array handeln. Beispielsweise kann die erste Spektroskopieeinrichtung in Form eines optischen Spektrometers ausgebildet sein, welches ein dispersives Element, insbesondere ein optisches Gitter oder ein Prisma, umfasst, um die von der Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung spektral zu zerlegen, also insbesondere räumlich aufzuspalten. So können mehrere räumlich nebeneinander angeordnete Detektoren Strahlungsintensitäten für eine Mehrzahl von Wellenlängenbereichen detektieren. Oder es kann hierfür ein Elektronenvervielfacher-Array eingesetzt werden, mit dem räumlich selektiv Strahlungsintensitäten in elektronische Signale umgewandelt werden können.It is favorable if the first spectroscopy device comprises a wavelength-dependent detection device. In particular, this may be an electron multiplier array. For example, the first spectroscopy device may be in the form of an optical spectrometer comprising a dispersive element, in particular an optical grating or a prism, in order to spectrally disperse the fluorescence radiation emitted by the specimen, that is to spatially split it in particular. Thus, a plurality of detectors arranged spatially next to one another can detect radiation intensities for a plurality of wavelength ranges. Or it can be used for this purpose, an electron multiplier array, with the spatially selective radiation intensities can be converted into electronic signals.
Um die Ergebnisse der Messungen schnell und vollautomatisch auswerten zu können, ist es günstig, wenn die Detektionseinrichtung ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Erzeugen elektronischer Messsignale. Insbesondere können die Messsignale einzelnen Wellenlängen oder Wellenlängenbereich zugeordnet sein.In order to evaluate the results of the measurements quickly and fully automatically, it is advantageous if the detection device is designed for the wavelength-dependent generation of electronic measurement signals. In particular, the measurement signals can be assigned to individual wavelengths or wavelength ranges.
Vorteilhaft ist es, wenn das System eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst zum Auskoppeln eines Teils der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale und zum Messen eines zeitabhängigen Intensitätsverlaufs der ausgekoppelten Messsignale. Eine derartige Ausbildung des Systems ermöglicht es insbesondere, mit einem einzigen optischen Spektrometer auszukommen. Zudem ist keine Aufspaltung des optischen Fluoreszenzsignals erforderlich, wodurch die Messergebnisse verfälscht werden könnten. Es wird sozusagen ein zeitlicher Verlauf erst nach Wandlung des optischen Signals der auftreffenden optischen Strahlung in elektronische Signale gemessen. So wird zudem sichergestellt, dass sowohl das wellenlängenabhängige Spektrum als auch der zeitliche Intensitätsverlauf von derselben Fluoreszenzemission der Probe stammen. Beispielsweise kann ein Teil der Fluoreszenzstrahlung vor der wellenlängenabhängigen Messung mit einem Spektrometer über einen Strahlteiler ausgekoppelt werden, um das Zeitsignal, also den zeitlichen Verlauf des Abfalls der Fluoreszenzstrahlung, zu messen.It is advantageous if the system comprises a signal processing device for decoupling a part of the wavelength-dependent generated electronic measurement signals and for measuring a time-dependent intensity profile of the decoupled measurement signals. Such a design of the system makes it possible in particular to manage with a single optical spectrometer. In addition, no splitting of the optical fluorescence signal is required, whereby the measurement results could be falsified. As it were, a time course is measured only after conversion of the optical signal of the impinging optical radiation into electronic signals. This also ensures that both the wavelength-dependent spectrum and the temporal intensity curve originate from the same fluorescence emission of the sample. For example, part of the fluorescence radiation can be coupled out before the wavelength-dependent measurement with a spectrometer via a beam splitter, in order to measure the time signal, that is to say the time profile of the drop in fluorescence radiation.
Auf einfache Weise lässt sich ein zeitlicher Verlauf der Intensität der ausgekoppelten Messsignale messen, wenn die Signalverarbeitungseinrichtung ein Oszilloskop und/oder eine schnelle Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer umfasst. Insbesondere kann es sich dabei um ein sehr schnelles Oszilloskop handeln mit einer Zeitauflösung von deutlich unter 0,1 ns.In a simple manner, a time profile of the intensity of the decoupled measuring signals can be measured if the signal processing device comprises an oscilloscope and / or a fast analog-to-digital converter card for a computer. In particular, it can be a very fast oscilloscope with a time resolution of well below 0.1 ns.
Das System kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ferner derart ausgebildet sein, dass die Signalverarbeitungseinrichtung eine Integrationseinrichtung umfasst zum Mitteln der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum. Mit der Integrationseinrichtung können die einzelnen elektronischen Signale insbesondere aufaddiert und über den Messzeitraum gemittelt werden. Auf diese Weise lässt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zur Charakterisierung chemischer Stoffe verbessern. In accordance with a further preferred embodiment of the invention, the system may further be designed such that the signal processing device comprises an integration device for averaging the wavelength-dependent generated electronic measurement signals over a measurement period. With the integration device, the individual electronic signals can in particular be added up and averaged over the measurement period. In this way, a signal-to-noise ratio of the measurement for the characterization of chemical substances can be improved.
Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen.Furthermore, the use of one of the systems described above for carrying out one of the methods described above is proposed.
Auf diese Weise können insbesondere chemische und biologische Stoffe, beispielsweise Gefahrstoffe, einfach und schnell klassifiziert werden. So kann das System, mit dem eines der oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, insbesondere eingesetzt werden zur Echtzeitüberprüfung von Passagieren an Sicherheitskontrollen. So lässt sich schnell feststellen, ob Personen und/oder deren Gepäck mit Gefahrstoffen, insbesondere Explosivstoffen, in Kontakt waren oder nicht.In this way, in particular chemical and biological substances, such as hazardous substances, can be easily and quickly classified. Thus, the system performing any of the methods described above may be used, in particular, for real-time checking of passengers at security controls. This makes it easy to determine whether people and / or their luggage were in contact with hazardous substances, in particular explosives, or not.
Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Verfahren und Systemen zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe:
- 1. Verfahren zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, bei welchem Verfahren eine mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltende, umfassende oder tragende Probe (
16 ) mit mindestens einem Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einem Laserpuls, einer Anregungswellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird, bei welchem Verfahren eine Intensität von von der Probe (16 ) aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung (24 ) wellenlängenabhängig gemessen wird und bei welchem Verfahren ein Abfall der Intensität der von der Probe (16 ) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich zeitabhängig gemessen wird, bei welchem Verfahren mindestens ein Referenzspektrum in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und in Form mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs bereitgestellt wird, wobei die gemessene wellenlängenabhängige Intensität und die gemessene zeitabhängige Intensität der von der Probe (16 ) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum verglichen werden zum Bestimmen, ob die Probe (16 ) den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht. - 2. Verfahren nach
Satz 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängige Messung der Intensität der von der Probe (16 ) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) und die Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden. - 3. Verfahren nach
Satz 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (16 ) mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt wird. - 4. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (
16 ) mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt wird. - 5. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung einer Anregungswellenlänge mit mindestens einem Anregungslaser (
14 ) erzeugt wird. - 6. Verfahren nach einem der
Sätze 3 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle (12 ) erzeugt werden. - 7. Verfahren nach einem der
Sätze 3 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse unterschiedlicher Wellenlänge mit einer monochromatischen Strahlungsquelle (12 ) im Zusammenwirken mit einer nichtlinearen Optik erzeugt werden. - 8. Verfahren nach
Satz 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse von der Strahlungsquelle (12 ) gleichzeitig erzeugt und anschließend zeitlich separiert werden. - 9. Verfahren nach einem der
Sätze 3 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse zeitlich separiert werden derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe (16 ). - 10. Verfahren nach einem der
Sätze 3 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass mit den mindestens zwei Anregungspulsen derselbe räumliche Bereich der Probe (16 ) angeregt wird. - 11. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund des mindestens einen Anregungspulses von der Probe (
16 ) emittierte Fluoreszenzstrahlung (24 ) mit einem Spektrometer (34 ) wellenlängenabhängig gemessen wird. - 12. Verfahren nach Satz
11 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Spektrometer (34 ) wellenlängenabhängig elektronische Messsignale erzeugt werden. - 13. Verfahren nach
Satz 12 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale ausgekoppelt und ein Intensitätsverlauf derselben zeitabhängig gemessen wird, insbesondere mit einem Oszilloskop (50 ) oder einer schnellen Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer. - 14. Verfahren nach
Satz 12 oder13 , dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum gemittelt werden. - 15. System (
10 ) zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, welches System (10 ) mindestens eine elektromagnetische Strahlungsquelle (12 ), insbesondere in Form eines Lasers (14 ), zum Erzeugen mindestens eines Anregungspulses zum Anregen einer mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltenden, umfassenden oder tragenden Probe (16 ) zur Fluoreszenz umfasst, welches System (10 ) eine erste Spektroskopieeinrichtung (34 ) zum wellenlängenabhängigen Messen einer Intensität von von der Probe (16 ) aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung (24 ) und eine zweite Spektroskopieeinrichtung (34 ) zum zeitabhängigen Messen einer Intensität der von der emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich umfasst, welches System (10 ) eine Speichereinrichtung zum Speichern mindestens eines Referenzspektrums in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs umfasst und welches System (10 ) eine Vergleichseinrichtung (44 ) zum Vergleichen der gemessenen wellenlängenabhängigen Intensität und der gemessenen zeitabhängigen Intensität der von der Probe (16 ) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum umfasst zum Bestimmen, ob die Probe (16 ) den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht. - 16.
System nach Satz 15 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) ausgebildet ist zum zeitgleichen oder im Wesentlichen zeitgleichen Durchführen der wellenlängenabhängigen Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) mit der ersten Spektroskopieeinrichtung (34 ) und der Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24 ) mit der zweiten Spektroskopieeinrichtung (34 ). - 17.
System nach Satz 15 oder16 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) ausgebildet ist zum Anregen der Probe (16 ) zur Fluoreszenz mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander. - 18. System nach einem der Sätze
15 bis17 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) ausgebildet ist zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander. - 19. System nach einem der Sätze
15 bis 18 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsquelle (12 ) in Form eines Anregungslasers (14 ) ausgebildet ist. - 20. System nach einem der Sätze
17 bis19 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle (12 ), insbesondere mit unterschiedlicher Wellenlänge. - 21. System nach einem der Sätze
17 bis 20 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle (12 ) und eine mit dieser zusammenwirkende nichtlineare Optik umfasst zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen unterschiedlicher Wellenlänge. - 22. System nach einem der Sätze
17 bis21 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) ausgebildet ist zum gleichzeitigen Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse und dass das System (10 ) eine Verzögerungseinrichtung (18 ) umfasst zum zeitlichen Separieren der gleichzeitig erzeugten mindestens zwei Anregungspulse. - 23.
System nach Satz 22 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinrichtung (18 ) ausgebildet ist zum zeitlichen Separieren der mindestens zwei Anregungspulse derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe (16 ). - 24. System nach einem der Sätze
17 bis23 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (10 ) ausgebildet ist zum Anregen desselben räumlichen Bereichs der Probe (16 ) mit den mindestens zwei Anregungspulsen. - 25. System nach einem der Sätze
15 bis 24 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spektroskopieeinrichtung (34 ) eine wellenlängenabhängige Detektionseinrichtung (54 ) umfasst, insbesondere in Form eines Elektronenvervielfacher-Arrays (56 ). - 26.
System nach Satz 25 , dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (54 ) ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Erzeugen elektronischer Messsignale. - 27.
System nach Satz 26 , dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Signalverarbeitungseinrichtung (40 ) umfasst zum Auskoppeln eines Teils der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale und zum Messen eines zeitabhängigen Intensitätsverlauf der ausgekoppelten Messsignale. - 28. Vorrichtung nach Satz
27 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (40 ) ein Oszilloskop (50 ) oder eine schnelle Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer umfasst. - 29. System nach einem der Sätze
27 oder 28 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (40 ) eine Integrationseinrichtung umfasst zum Mitteln der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum. - 30. Verwendung eines Systems nach einem der Sätze
15 bis29 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem derSätze 1 bis 14 .
- 1. A method for classifying chemical and / or biological substances, in particular hazardous substances, in which method a comprehensive or carrying sample containing at least one chemical and / or biological substance (
16 ) is excited with at least one excitation pulse of electromagnetic radiation, in particular a laser pulse, an excitation wavelength to fluorescence, in which method an intensity of the sample (16 ) due to the excitation with the at least one excitation pulse emitted fluorescence radiation (24 ) is measured as a function of wavelength and in which method a drop in the intensity of the sample (16 ) emitted fluorescence radiation (24 ) is measured for at least one wavelength and / or wavelength range in a time-dependent manner, in which method at least one reference spectrum in the form of at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum of at least one chemical and / or biological substance and in the form of at least one time-dependent reference fluorescence spectrum of the at least one chemical and / or biological substance with the measured wavelength-dependent intensity and the measured time-dependent intensity of the sample (16 ) emitted fluorescence radiation (24 ) are compared with the at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum and the at least one time-dependent reference fluorescence spectrum for determining whether the sample (16 ) contains at least one chemical and / or biological substance of a class or not. - 2. Procedure according to
sentence 1 , characterized in that the wavelength-dependent measurement of the intensity of the sample (16 ) emitted fluorescence radiation (24 ) and the measurement of the time-dependent decrease of the fluorescence radiation emitted by the sample (24 ) simultaneously or substantially simultaneously. - 3. Procedure according to
sentence 1 or2 , characterized in that the sample (16 ) is excited with at least two excitation pulses of electromagnetic radiation in a short time interval from each other to fluorescence. - 4. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the sample (
16 ) is excited with at least two excitation pulses of electromagnetic radiation of different excitation wavelength in a short time interval from each other to the fluorescence. - 5. The method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one excitation pulse of electromagnetic radiation of an excitation wavelength with at least one excitation laser (
14 ) is produced. - 6. Method according to one of the
sentences 3 to5 , characterized in that the at least two excitation pulses with a single radiation source (12 ) be generated. - 7. Method according to one of the
sentences 3 to6 , characterized in that the at least two excitation pulses of different wavelengths with a monochromatic radiation source (12 ) are generated in cooperation with a non-linear optics. - 8. Procedure according to
sentence 6 or7 , characterized in that the at least two excitation pulses from the radiation source (12 ) are generated simultaneously and then separated in time. - 9. Method according to one of the
sentences 3 to8th , characterized in that the at least two excitation pulses are separated in time such that a time interval between two successive excitation pulses is greater than a fluorescence decay time of the sample (16 ). - 10. Method according to one of the
sentences 3 to9 , characterized in that with the at least two excitation pulses the same spatial region of the sample (16 ) is stimulated. - 11. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that, due to the at least one excitation pulse from the sample (
16 ) emitted fluorescence radiation (24 ) with a spectrometer (34 ) is measured as a function of wavelength. - 12. Procedure according to sentence
11 , characterized in that with the spectrometer (34 ) Depending on the wavelength electronic measuring signals are generated. - 13. Procedure according to
sentence 12 , characterized in that a part of the wavelength-dependent generated electronic measuring signals coupled out and an intensity profile of the same is measured time-dependent, in particular with an oscilloscope (50 ) or a fast analog-to-digital converter card for a computer. - 14. Procedure according to
sentence 12 or13 , characterized in that the wavelength-dependent generated electronic measurement signals are averaged over a measurement period. - 15. System (
10 ) for the classification of chemical and / or biological substances, in particular of hazardous substances, which system (10 ) at least one electromagnetic radiation source (12 ), in particular in the form of a laser (14 ) for generating at least one excitation pulse for exciting a comprehensive or carrying sample containing at least one chemical and / or biological substance (16 ) to fluorescence, which system (10 ) a first spectroscopy device (34 ) for wavelength-dependent measurement of an intensity of the sample (16 ) due to the excitation with the at least one excitation pulse emitted fluorescence radiation (24 ) and a second spectroscopy device (34 ) for time-dependent measurement of an intensity of the emitted fluorescence radiation (24 ) for at least one wavelength and / or wavelength range, which system (10 ) comprises a memory device for storing at least one reference spectrum in the form of at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum of at least one chemical and / or biological substance and at least one time-dependent reference fluorescence spectrum of the at least one chemical and / or biological substance and which system (10 ) a comparison device (44 ) for comparing the measured wavelength-dependent intensity and the measured time-dependent intensity of the sample (16 ) emitted fluorescence radiation (24 ) comprising the at least one wavelength-dependent reference fluorescence spectrum and the at least one time-dependent reference fluorescence spectrum for determining whether the sample (16 ) contains at least one chemical and / or biological substance of a class or not. - 16. System by
sentence 15 , characterized in that the system (10 ) is designed for simultaneously or substantially simultaneously carrying out the wavelength-dependent measurement of the intensity of the fluorescence radiation emitted by the sample (24 ) with the first spectroscopy device (34 ) and the measurement of the time-dependent decrease of the fluorescence radiation emitted by the sample (24 ) with the second spectroscopy device (34 ). - 17. System by
sentence 15 or16 , characterized in that the system (10 ) is designed to excite the sample (16 ) for fluorescence with at least two excitation pulses of electromagnetic radiation in a short time interval from each other. - 18. System according to one of the
sentences 15 to17 , characterized in that the system (10 ) is configured to generate at least two excitation pulses of electromagnetic radiation of different excitation wavelengths in a short time interval from each other. - 19. System according to one of the
sentences 15 to18 , characterized in that the at least one radiation source (12 ) in the form of an excitation laser (14 ) is trained. - 20. System according to one of the sentences
17 to19 , characterized in that the system (10 ) is configured to generate the at least two excitation pulses with a single radiation source (12 ), in particular with different wavelengths. - 21. System according to one of the sentences
17 to20 , characterized in that the system (10 ) at least one monochromatic radiation source (12 ) and a non-linear optic cooperating therewith for generating at least two excitation pulses of different wavelengths. - 22. System according to one of the sentences
17 to21 , characterized in that the system (10 ) is configured to simultaneously generate the at least two excitation pulses and that the system (10 ) a delay device (18 ) comprises for temporally separating the simultaneously generated at least two excitation pulses. - 23. System by
sentence 22 , characterized in that the delay device (18 ) is formed for temporally separating the at least two excitation pulses such that a time interval between two successive excitation pulses is greater than a fluorescence decay time of the sample (16 ). - 24. System according to one of the sentences
17 to23 , characterized in that the system (10 ) is designed to excite the same spatial area of the sample (16 ) with the at least two excitation pulses. - 25. System according to one of the
sentences 15 to24 , characterized in that the first spectroscopy device (34 ) a wavelength-dependent detection device (54 ), in particular in the form of an electron multiplier array (56 ). - 26. System by
sentence 25 , characterized in that the detection device (54 ) is designed for the wavelength-dependent generation of electronic measurement signals. - 27. System by
sentence 26 , characterized in that the system comprises a signal processing device (40 ) comprises for decoupling a portion of the wavelength-dependent generated electronic measurement signals and for measuring a time-dependent intensity profile of the decoupled measurement signals. - 28. Device by sentence
27 , characterized in that the signal processing device (40 ) an oscilloscope (50 ) or a fast analog-to-digital converter card for a computer. - 29. System according to one of the
sentences 27 or28 , characterized in that the signal processing device (40 ) comprises an integration device for averaging the wavelength-dependent generated electronic measurement signals over a measurement period. - 30. Use of a system according to one of the
sentences 15 to29 to carry out a method according to one of thesentences 1 to14 ,
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Klassifizierung chemischer Stoffe; -
2 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Teils einer Verzögerungseinrichtung; -
3 : eine schematische Darstellung gemessener Laserleistung von Laserpulsen bei einerWellenlänge von 266 nm (erster Puls) und 355 nm (zweiter Puls) für unterschiedliche Anzahlen von Reflexionen im Bereich der Verzögerungseinrichtung; -
4 : Fluoreszenzspektren für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie); -
5 : Fluoreszenzpektren mit Anregungspulsen mit einerWellenlänge von 355 nm für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie); -
6 : zeitlicher Intensitätsverlauf der Fluoreszenz bei Anregung mit Anregungspulsenmit Wellenlänge von 266 nm für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie); -
7 : zeitlicher Intensitätsverlauf der Fluoreszenz bei Anregung mit Anregungspulsenmit Wellenlänge von 355 nm für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie); -
8 : Tabelle mit Klassifikationsergebnissen, wobei a) wellenlängenabhängige Spektroskopiedaten berücksichtigt, b) zeitabhängige Fluoreszenzspektroskopiedaten und c) kombinierte wellenlängenabhängige und zeitabhängige Spektroskopiedaten; Spalten zeigen Vorhersagewerte und Zeilen Referenzwerte an; -
9 : eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Systems zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe; -
10 : eine Darstellung gemessener Laserleistung am Ausgang des Lasers für 355 nm für unterschiedliche transversale Positionen eines Metallkeils, gemessen ineinem Abstand von 2,1 m vom Ausgang des Anregungslasers mit der sogenannten Knife-Edge-Methode; -
11 : eine Darstellung des Strahldurchmessers für verschiedene Distanzen des Metallkeils relativ zum Ausgang des Anregungslasers; -
12 : eine Darstellung der Abhängigkeit der zeitlichen Verzögerung der Laserpulse in Abhängigkeit von der Anzahl an Durchläufen durch dieVerzögerungseinrichtung entsprechend 3 ; -
13 : eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Detektion von Fluoreszenzsignalen; -
14 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Ladungsintegrationseinheit vom Typ Vertilon Photoniq mit Steuerung; -
15 : eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Ladungsintegration mit der Ladungsintegrationseinheit aus14 ; -
16 : eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels eines Computerprogramms zur Steuerung eines Systems zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe; -
17 : eine schematische Darstellung des Ablaufs der Messprozedur für eine kontinuierliche Messung; -
18 : eine schematische Darstellung der Messprozedur für eine Einzelmessung; -
19 : eine schematische Darstellung der Messprozedur für eine spektrale und zeitliche Messung; -
20 : eine tabellarische Darstellung einer Abklingzeit verschiedener Proben bei Anregung mit unterschiedlichen Wellenlängen, nämlich 266 nm und 355 nm, mit einfacher exponentieller Anpassung; -
21 : Fluoreszenzspektren von Fluorescin in Wasserbei Anregung mit 266nm und 355 nm; -
22 : zeitabhängige Fluoreszenzspektren von Fluorescin in Wasser von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen; -
23 : Fluoreszenzspektren von Diesel in Wasserbei Anregung mit 266nm und 355 nm; -
24 : zeitabhängige Fluoreszenzsignale von Diesel in Wasser von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen; -
25 : Fluoreszenzspektren von Curcumin in Acetonbei Anregung mit 266nm und 355 nm; -
26 : zeitabhängige Fluoreszenzsignale von Curcumin in Aceton von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen; -
27 : Fluoreszenzspektren von NADH und Tryptophan in Wasserbei Anregung mit 266nm und 355 nm; -
28 : zeitabhängige Fluoreszenzsignale von NADH und Tryptophan in Wasser von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen; -
29 : Fluoreszenzspektren von bacillus thuringiensis beiAnregung mit 266nm und 355 nm; -
30 : zeitabhängige Fluoreszenzsignale von bacillus thuringiensis von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen; -
31 : einen Beispielaufbau; -
32 : eine interne Taktung des Ladungsintegrators in Abhängigkeit zu den Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge; -
33 : einen experimentellen Aufbau; -
34 : eine schematische Darstellung der optischen Verzögerungsstrecke; -
35 : eine Verzögerung von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen; -
36 : Tabellen a) bis c); -
37 : eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus; die Laserstrahlen des 266 nm und des 355 nm Ausgang werden zur Leistungsanpassung zuerst durch eine Wellenplatte und ein Glan-Taylor Prisma geleitet; Abkürzungen: GT: Glan-Taylor Prisma; -
38 : Bild der Verzögerungsstrecke; und -
39 : eine Programmoberfläche des Experimentkontrollprogramms.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a system for the classification of chemical substances; -
2 a schematic representation of an embodiment of a part of a delay device; -
3 : a schematic representation of measured laser power of laser pulses at a wavelength of 266 nm (first pulse) and 355 nm (second pulse) for different numbers of reflections in the region of the delay device; -
4 : Fluorescence spectra for bacillus thuringiensis (dotted line), micrococcus luteus (dashed line) and oligella urethralis (solid line); -
5 : Fluorescence spectra with excitation pulses with a wavelength of 355 nm for bacillus thuringiensis (dotted line), micrococcus luteus (dashed line) and oligella urethralis (solid line); -
6 : time intensity course of the fluorescence when excited with excitation pulses with wavelength of 266 nm for bacillus thuringiensis (dotted line), micrococcus luteus (dashed line) and oligella urethralis (solid line); -
7 : time intensity curve of the fluorescence upon excitation with excitation pulses with wavelength of 355 nm for bacillus thuringiensis (dotted line), micrococcus luteus (dashed line) and oligella urethralis (solid line); -
8th Table with classification results, where a) takes into account wavelength-dependent spectroscopy data, b) time-dependent fluorescence spectroscopy data and c) combined wavelength-dependent and time-dependent spectroscopy data; Columns display predictive values and rows reference values; -
9 a schematic representation of another embodiment of a system for classifying chemical and / or biological substances; -
10 : a plot of measured laser power at the output of the laser for 355 nm for different transverse positions of a metal wedge, measured at a distance of 2.1 m from the output of the excitation laser with the so-called Knife Edge method; -
11 a representation of the beam diameter for different distances of the metal wedge relative to the output of the excitation laser; -
12 : A representation of the dependence of the time delay of the laser pulses as a function of the number of passes through the delay device accordingly3 ; -
13 a schematic representation of the structure for the detection of fluorescence signals; -
14 a schematic representation of an embodiment of a charge integration unit of the type Vertilon Photoniq with control; -
15 : A schematic representation of the time course of a charge integration with thecharge integration unit 14 ; -
16 a schematic representation of the sequence of an embodiment of a computer program for controlling a system for classifying chemical and / or biological substances; -
17 : a schematic representation of the sequence of the measuring procedure for a continuous measurement; -
18 : a schematic representation of the measurement procedure for a single measurement; -
19 : a schematic representation of the measurement procedure for a spectral and temporal measurement; -
20 : a tabular representation of a cooldown of different samples when excited at different wavelengths, namely 266 nm and 355 nm, with a simple exponential fit; -
21 : Fluorescence spectra of fluorescein in water when excited at 266 nm and 355 nm; -
22 Time-dependent fluorescence spectra of fluorescein in water from four measurement channels corresponding to four wavelength ranges; -
23 : Fluorescence spectra of diesel in water when excited at 266 nm and 355 nm; -
24 : time-dependent fluorescence signals from diesel in water from four measuring channels corresponding to four wavelength ranges; -
25 : Fluorescence spectra of curcumin in acetone when excited at 266 nm and 355 nm; -
26 : time-dependent fluorescence signals of curcumin in acetone from four measurement channels corresponding to four wavelength ranges; -
27 : Fluorescence spectra of NADH and tryptophan in water when excited at 266 nm and 355 nm; -
28 : time-dependent fluorescence signals of NADH and tryptophan in water from four measurement channels corresponding to four wavelength ranges; -
29 : Fluorescence spectra of bacillus thuringiensis at 266 nm and 355 nm excitation; -
30 : time-dependent fluorescence signals of bacillus thuringiensis from four measuring channels corresponding to four wavelength ranges; -
31 : a sample construction; -
32 an internal clocking of the charge integrator as a function of the laser pulses of different wavelengths; -
33 : an experimental setup; -
34 a schematic representation of the optical delay path; -
35 a delay of two consecutive pulses of different wavelengths; -
36 : Tables a) to c); -
37 a schematic representation of the experimental setup; the laser beams of the 266 nm and 355 nm outputs are first passed through a wave plate and a Glan-Taylor prism for power matching; Abbreviations: GT: Glan-Taylor prism; -
38 : Image of the delay range; and -
39 : a program interface of the experiment control program.
Die Anregungspulse mit einer Anregungswellenlänge von 266 nm werden über eine optische Anordnung mit Spiegel- und Glan-Taylor-Prismen (GT) sowie λ/2-Plättchen (λ/2) zur Probe geleitet. Die vom Laser
Die so zeitlich gegenüber den Anregungspulsen mit 266 nm verzögerten Anregungspulse mit Wellenlänge 355 nm werden mit ihren Strahlengängen überlappend zur Probe
Fluoreszenzstrahlung
Mit dem Faserbündel
Vom Gitterspektrometer
Das zweite Faserbündel
In
Insbesondere die in
Die von der Probe
Ein Teil der über die Signalleitung
In
Eine Pulslänge der Laserpulse wurde mit einer schnellen Photodiode zu etwa 500 ps bestimmt.A pulse length of the laser pulses was determined with a fast photodiode at about 500 ps.
In
Die Fluoreszenzstrahlung
Über Signalleitungen
Die Datenerfassungseinrichtung
Die Ansteuerung erfolgt getriggert über einen Triggerpuls der Lasersteuerung
Der zeitliche Ablauf der Integration der Messsignale in der Datenerfassungseinrichtung
Im Zeitpunkt tdelay wird ein Anregungspuls 355 nm auf die Probe
In
Über ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signal, das von einer National Instruments (NI) Multifunktions-Datenerfassungskarte generiert wird, steuert das Computerprogramm einen Lasershutter, welcher die Probe
Die in
Bei der schematisch in
Der Messablauf für eine spektrale und zeitliche Messung ist schematisch in
In den
In den
In den
Untersucht wurden fünf Proben, nämlich Fluorescin in Wasser (
Für die fünf untersuchten Proben wurden unterschiedliche Zeitkonstanten für die beiden Anregungswellenlängen bestimmt. Die aus einer einfachen exponentiellen Anpassung gewonnen Abklingzeiten sind in der Tabelle in
Wie insbesondere die unterschiedlichen wellenabhängigen Fluoreszenzspektren sowie die signifikanten Unterschiede der zeitaufgelösten Spektren zeigen, können unterschiedliche Stoffe mit dem beschriebenen System
Wird eine Datenbank bereitgestellt, die in einer Speichereinrichtung des Systems
Derartige Systeme lassen sich insbesondere in der Sicherheitsforschung einsetzen, wo Gefahrstoffe aus größeren Abständen detektiert werden müssen. Systeme lassen sich auch bei der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie einsetzen sowie zur medizinischen Diagnostik und Prozessüberwachung. Auch zur Materialcharakterisierung lassen sich die beschriebenen Systeme und Verfahren nutzen.Such systems can be used in particular in security research, where hazardous substances must be detected from greater distances. Systems can also be used in laser-induced fluorescence spectroscopy and microscopy as well as for medical diagnostics and process monitoring. The described systems and methods can also be used for material characterization.
BESCHREIBUNG WEITERER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF OTHER EMBODIMENTS OF THE INVENTION
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1:
Die Erfindung dient insbesondere der Verbesserung der berührungsfreien und langreichweitigen Früherkennung von chemischen und biologischen Gefahrstoffen mittels einer Kombination zweier Laser induzierter Fluoreszenz-Verfahren. Die Laser induzierte Fluoreszenzspektroskopie ist eine bewährte Methode zur Analyse von Stoffkonzentrationen von Gasen und Flüssigkeiten und kann zur Stoffklassifizierung genutzt werden. Mit angepassten experimentellen Aufbauten können mittels zeitaufgelöster oder Frequenzmodulations-Techniken Fluoreszenzlebensdauern bestimmt werden, die ebenfalls eine Stoffunterscheidung ermöglichen. Das entwickelte System kombiniert diese beiden Methoden. Es werden in einem Prozessdurchlauf elektronische Signale gemessen, welche dem spektralen und temporalen Verhalten der Laser-induzierten-Fluoreszenz (LIF) zugeordnet werden können, die durch zwei oder mehr Laserpulse elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge angeregt wird. Hierdurch kann in einem sehr kurzen Zeitraum eine große Menge an nichtredundanter Information zur Unterscheidung unterschiedlicher Gefahrstoffe bereitgestellt werden.In particular, the invention serves to improve the non-contact and long-range early detection of chemical and biological hazardous substances by means of a combination of two laser-induced fluorescence methods. Laser-induced fluorescence spectroscopy is a proven method for analyzing substance concentrations of gases and liquids and can be used for substance classification. Using adapted experimental setups, fluorescence lifetimes can be determined by means of time-resolved or frequency-modulation techniques, which also facilitate a substance differentiation. The developed system combines these two methods. In a process run, electronic signals are measured, which can be assigned to the spectral and temporal behavior of the laser-induced fluorescence (LIF), which is excited by two or more laser pulses of electromagnetic radiation of different wavelengths. As a result, a large amount of non-redundant information for differentiating different hazardous substances can be provided in a very short period of time.
Fluoreszenzspektroskopie ist ein etabliertes Verfahren und wird unter anderem in der Biochemie, der Chemie und der Medizin zur Analyse von organischen Stoffen benutzt. Hierfür wird die Probe mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, meist im ultravioletten Spektralbereich, und das zurückgestreute Licht spektral analysiert. Die Methode zeichnet sich im Vergleich zu anderen spektroskopischen Verfahren, wie zum Beispiel Raman-Spektroskopie durch eine sehr hohe Sensitivität aus wodurch sie sehr gut zur berührungsfreien, langreichweitigen Ferndetektion geeignet ist (Lakowicz, J. R., „Principles of Fluorescence Spectroscopy“, 3rd Edition, Springer Science+Business Media, New York, 2006). Nachteilig dabei ist:
- • Relativ geringer Informationsgehalt.
- • Es muss überprüft werden in wie weit man mit dem Informationsgehalt eine große Menge an Stoffen unterscheiden kann.
- • Relatively low information content.
- • It has to be checked to what extent one can distinguish a large amount of substances with the information content.
Aufbauten zur Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer können in zwei Klassen unterteilt werden, die Zeit- und die Frequenzdomänen Messungen. Bei ersterer wird die Probe mittels kurzer Laserpulse angeregt und die Abklingzeit direkt aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz extrahiert, zum Beispiel mit der Methode der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung. Bei der zweiten Klasse wird die Intensität der kontinuierlich anregenden Strahlung zeitlich moduliert und die Abklingzeit aus der Phasenverschiebung der emittierten zur anregenden Strahlung bestimmt. Beide Verfahren wurden für die Identifikation von biologischen und chemischen Proben verwendet (Lakowicz, J. R., „Principles of Fluorescence Spectroscopy“, 3rd Edition, Springer Science+Business Media, New York, 2006; Kinkennon, A.E. & McGown, Fluorescence Lifetime Characterization of Bacteria Using Total Lifetime Distribution Analysis with the Maximum Entropy Method, L.B. Journal of Fluorescence 7: 201 (1997) doi:10.1007/BF02758220). Nachteilig dabei ist:
- • Für Frequenzdomänen-Messungen aufwendige Verfahren benötigt, so dass das Signal nicht in Echtzeit erfasst werden kann.
- • Bei der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung ist eine große Statistik erforderlich, was zu einer sehr langen Messzeit führt.
- • For frequency domain measurements consuming procedures needed, so that the signal can not be detected in real time.
- • Time-correlated single-photon counting requires large statistics, resulting in a very long measurement time.
Außerdem kann die Messung des zeitlichen Verhaltens des Fluoreszenzsignals über eine im Nanosekundenbereich getaktete iCCD Kamera erfolgen (T. Fischbach, F. Duschek, A. Hausmann, C. Pargmann, V. Aleksejev,L. Poryvkina, I. Sobolev, S. Babichenko, and J.Handke.Standoff detection and classifcation procedure for bioorganic compounds by hyperspectral laser-induced fluorescence, may 2015). Nachteilig dabei ist:
- • Für direkte Messung aufwendige und teure Taktung der Kamera zur Zeitmessung nötig.
- • Keine Messung in Echtzeit möglich.
- • For direct measurement expensive and expensive clocking of the camera for time measurement necessary.
- • No real-time measurement possible.
Andere spektroskopische Verfahren wie zum Beispiel Raman-spektroskopie können für die Detektion von Gefahrstoffen verwendet werden (
- • Geringe Signal Intensität und daraus resultierende lange Messzeiten.
- • Low signal intensity and resulting long measurement times.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
- • Erhöhung des Informationsgehaltes, durch Messung des spektralen und des temporalen Fluoreszenzsignals mit mehreren Laserpulsen mit einer unterschiedlichen Trägerfrequenz.Increasing the information content by measuring the spectral and temporal fluorescence signals with multiple laser pulses at a different carrier frequency.
- • Messung mit hoher Repetitionsrate, durch Messung des spektralen und des temporalen Fluoreszenzsignals innerhalb eines Prozessdurchlaufes.• Measurement with high repetition rate, by measuring the spectral and temporal fluorescence signals within one process run.
- • Es werden die spektralen und die zeitlichen Fluoreszenzsignale in einem einzelnen Prozess erzeugt und ausgelesen, so dass das Signal das von jeweils einzelnen Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt wird, aufgenommen werden können.• The spectral and temporal fluorescence signals are generated and read out in a single process so that the signal generated by individual laser pulses of different wavelengths can be recorded.
- • Zur Erhöhung des Informationsgehaltes und der daraus resultierenden schnellen Datenaufnahme werden die Fluoreszenzspektroskopie und die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer kombiniert.• To increase the information content and the resulting fast data acquisition, fluorescence spectroscopy and determination of the fluorescence lifetime are combined.
Vorgehensweisemethod
Zunächst werden zwei oder mehr von einer Laserquelle gleichzeitig bereitgestellte Laserpulse die jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen zeitlich separiert. Im Fall von zwei genutzten Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge wird ein Laserpuls in eine Verzögerungsstrecke bestehend aus zwei leicht zu einander verkippten Spiegeln eingekoppelt, so dass die Pulse die zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert werden und auf der Seite die Verzögerungsstrecke verlassen auf der Sie eingekoppelt wurden. Dadurch weisen die Laserpulse einen zeitlichen Abstand zueinander auf, der größer sein sollte als die zu Messende Fluoreszenzabklingzeit. Diese liegt normalerweise unterhalb von 50 Nanosekunden, was einer zurückgelegten Strecke von ca. 15m entspricht. Nach der zeitlichen Trennung werden die Strahlengänge der Pulse unterschiedlicher Wellenlängen überlagert, so dass die beiden Laserpulse nacheinander an der gleichen räumlichen Position auf die Probe treffen. Das in der Probe generierte Fluoreszenzsignal wird mittels eines Parabolspiegels in ein Spektrometer eingekoppelt und hier über ein optisches Gitter spektral zerlegt, bevor es in Abhängigkeit von der Wellenlänge mittels unterschiedlicher Kanäle eines Detektors detektiert wird. Das von dem Detektor generierte elektrische Signal wird an einen Integrator geleitet, welcher von einem Computer ausgelesen werden kann. Die Idee sieht nun vor, dass ein Teil des Signals vom Detektor vor dem Integrator für die direkte Messung des zeitlichen Verlaufs kapazitiv ausgekoppelt wird. Dieses Signal wird an ein schnelles Oszilloskop weitergeleitet mit dessen Hilfe es zeitaufgelöst gemessen werden kann und die Daten ebenfalls von einem Computer ausgelesen werden können.First, two or more laser pulses simultaneously provided by a laser source, each having different wavelengths, are separated in time. In the case of two used laser pulses of different wavelengths, a laser pulse is coupled into a delay line consisting of two mirrors tilted slightly to each other, so that the pulses are reflected back and forth between the mirrors and leave on the side of the delay line on which they were coupled. As a result, the laser pulses have a time interval which should be greater than the fluorescence decay time to be measured. This is usually less than 50 nanoseconds, which corresponds to a distance of about 15m. After the time separation, the beam paths of the pulses of different wavelengths are superimposed, so that the two laser pulses hit each other successively at the same spatial position on the sample. The fluorescence signal generated in the sample is coupled by means of a parabolic mirror into a spectrometer and here spectrally dissected over an optical grating, before depending on is detected by the wavelength by means of different channels of a detector. The electrical signal generated by the detector is passed to an integrator, which can be read by a computer. The idea is that part of the signal is capacitively decoupled from the detector before the integrator for the direct measurement of the time course. This signal is forwarded to a fast oscilloscope with the help of which it can be measured time-resolved and the data can also be read out by a computer.
In
Vor dem Integrator wird ein kleiner Teil der elektronischen Signale kapazitiv ausgekoppelt. Die ausgekoppelten Signale werden genutzt, um mit einem schnellen Oszilloskop das zeitliche Verhalten der Fluoreszenz direkt zu messen. Die Messungen werden von einem Computer gesteuert, an den auch die Messdaten zur Weiterverarbeitung und Speicherung weitergeleitet werden.Before the integrator, a small part of the electronic signals is capacitively decoupled. The decoupled signals are used to directly measure the temporal behavior of the fluorescence with a fast oscilloscope. The measurements are controlled by a computer to which the measurement data are forwarded for further processing and storage.
Diese Messmethode ermöglicht die gleichzeitige Messung des spektralen und des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenz, so dass hier ein erhöhter Informationsgehalt aus der Anregung zweier aufeinanderfolgenden Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge gewonnen werden kann. Das System kann auf mehrere Anregungspulse erweitert werden, wobei dann mehrere Pulse unter unterschiedlichen Winkeln in die Verzögerungsstrecke eingekoppelt werden müssten, so dass ein Pulszug aus den genutzten Pulsen unterschiedlicher Wellenlängen entsteht. Alternativ könnte ein System aus Laserquellen genutzt werden bei dem die Laser elektronisch so getaktet sind, dass der gewünschte Pulszug entsteht.This measurement method allows the simultaneous measurement of the spectral and temporal course of the fluorescence, so that here an increased information content can be obtained from the excitation of two successive laser pulses of different wavelengths. The system can be extended to a plurality of excitation pulses, in which case several pulses would have to be coupled into the delay path at different angles, so that a pulse train results from the utilized pulses of different wavelengths. Alternatively, a system of laser sources could be used in which the laser are electronically clocked so that the desired pulse train is formed.
Gebiete der gewerblichen AnwendungenAreas of commercial applications
- • Stand-off Detektion von Gefahrstoffen• Stand-off detection of hazardous substances
- • Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie• Laser-induced fluorescence spectroscopy and microscopy
- • Prozessüberwachung• process monitoring
- • Materialcharakterisierung• Material characterization
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2:
Veröffentlichungpublication
Neues langreichweitiges Detektionssystem für die Klassifikation von chemischen und biologischen Gefahrenstoffen durch Kombination zeitlicher und spektraler laserinduzierter FluoreszenztechnikenNew long-range detection system for the classification of chemical and biological hazardous substances by combining temporal and spectral laser-induced fluorescence techniques
Einführungintroduction
Es gibt unterschiedliche Szenarien, bei denen Personen in Kontakt mit chemischen oder biologischen Gefahrstoffen kommen können. Abhängig von den jeweiligen Szenarien können die gefährlichen Substanzen auf unterschiedlichen Wegen zu Menschen gelangen, beispielsweise über die Wasserversorgung und Aerosolwolken [1, 2]. Um in der Lage zu sein, schnell Schritte gegen negative Auswirkungen auf Menschen einzuleiten, sind eine schnelle und langreichweitige Detektion, also aus einem sicheren Abstand, und ein Identifikationssystem für Quellen biologischer Lösungen essentiell. Unterschiedliche optische Techniken können als Basis für ein solches Detektionssystem verwendet werden. Einige von diesen sind in den Literaturstellen [3, 4] untersucht worden.There are different scenarios in which people can come into contact with chemical or biological hazardous substances. Depending on the respective scenarios, the dangerous substances can reach people in different ways, for example via the water supply and aerosol clouds [1, 2]. In order to be able to take rapid action against negative impacts on humans, fast and long-range detection, and hence a safe distance, and an identification system for sources of biological solutions are essential. Different optical techniques can be used as a basis for such a detection system. Some of these have been studied in references [3, 4].
Einer der am verbreitetsten eingesetzten Techniken für die langreichweitige Detektion biologischer und chemischer Proben aus einem sicheren Abstand ist die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Spektroskopie. Diese stellte eine hohe Signalstärke bereit mit schnellen Detektionszeiten und großen Detektionsbereichen [5-9]. Für Aerosolproben wird die LIF-Spektroskopie häufig kombiniert mit sogenannten LIDAR-Messungen („light detection and ranging“). LIDAR Messungen basieren auf Photonen-Laufzeitmessungen. Diese Techniken sind in der Lage, eine Bedrohung schnell zu lokalisieren und die Verteilung von Wolken und ihrer Ausbreitung zu kartieren, wie dies beispielsweise in verschiedenen Feldversuchen gezeigt wurde [3, 7, 9]. Abhängig vom jeweiligen Szenario ist ein vielversprechender Ansatz die Kombination von langreichweitigen Detektionssystemen mit Punktsensoren, um die Detektionssicherheit zu erhöhen [10].One of the most commonly used techniques for long-range detection of biological and chemical samples from a safe distance is laser-induced fluorescence (LIF) spectroscopy. This provided high signal strength with fast detection times and large detection ranges [5-9]. For aerosol samples, LIF spectroscopy is often combined with so-called LIDAR measurements ("light detection and ranging"). LIDAR measurements are based on photon transit time measurements. These techniques are capable of rapidly locating a threat and mapping the distribution of clouds and their spread, as shown for example in various field trials [3, 7, 9]. Depending on the particular scenario, a promising approach is the combination of long-range detection systems with point sensors to increase detection reliability [10].
Hier wird nun ein neuartiger Aufbau präsentiert, bei dem zeitliche und spektrale LIF-Techniken kombinert werden, um die Spezifizität der Klassifikationsalgorithmen, die eingesetzt werden, um Bakterienproben zu unterscheiden, zu verbessern. Für wellenlängenabhängig aufgelöste LIF-Messungen erlauben die eher breiten spektralen Eigenschaften der untersuchten Proben eine Verringerung der spektroskopischen Auflösung von 1024 Spektralkanälen in Referenz [5] auf 32 spektrale Kanäle ohne Verringerung der Klassifikationsleistung wie in Referenz [11] präsentiert. Aber im Vergleich zu anderen Techniken gestattet der eher geringe Informationsgehalt nur beschränkte Identifikationsaussichten. Laserpulse mit unterschiedlichen Mittenwellenlängen können eingesetzt werden, um unterschiedliche Fluorophore [5, 12] anzuregen, zum Beispiel Aminosäuren Tryptophan und Tyrosin, unter Verwendung einer Laserwellenlänge von unter anderem 266 nm, oder Moleküle, die beim Stoffwechsel lebender Zellen auftreten, wie reduziertes Nikotin-Amid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin- Dinukleotid (FAD), unter Verwendung einer Laserwellenlänge von unter anderem 355 nm. Die verschiedenen spektralen Formen der Fluoreszenzsignale nach Anregung mit diesen unterschiedlichen Laserpulsen liefern eindeutige Informationen für die nachfolgende Klassifikationsprozedur. Durch Kombination von Datensätzen beider Anregungsprozesse kann die Klassifikationsleistung deutlich verbessert werden [5, 11, 13]. Um die Spezifizität im vorgestellten System weiter zu verbessern, wurden gleichzeitig zeitlich aufgelöste LIF-Signale für jeden Anregungspuls unter Verwendung schneller Elektroniken akquiriert. Da das zeitliche Verhalten der Fluoreszenz von den involvierten Komponenten und insbesondere deren Mikroumgebungen abhängt, können die Ergebnisse sogar zwischen Substanzen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung variieren [12, 14, 15]. Wie nachfolgend gezeigt, liefert diese Variation ausreichende Vielfalt für eine Unterscheidung von drei gewählten Bakteriensuspensionen, die angeregt und gemessen wurden aus einem Abstand von 3,5 m mit einer Genauigkeit von 98 %. Die Unterscheidbarkeit von weiteren unterschiedlichen Bakterienproben wird in der Zukunft untersucht werden. Die Kombination von zeitlich aufgelösten Fluoreszenzdaten von Bakterienproben, die aus einem vorgegebenen Abstand bestimmt wurden, wurde erstmalig zur nachfolgenden Klassifikation herangezogen. Die Klassifikationsleistung ist vergleichbar mit der, wenn gleichzeitig spektral aufgelöste LIF-Daten akquiriert werden und mit der bei einer Kombination beider Datensätze.Here is presented a novel construction in which temporal and spectral LIF techniques are combined to enhance the specificity of the classification algorithms used to distinguish bacterial samples. For wavelength dependent resolved LIF measurements, the rather broad spectral properties of the examined samples allow a reduction of the spectroscopic resolution of 1024 spectral channels in reference [5] to 32 spectral channels without reduction of the classification performance as presented in reference [11]. But compared to other techniques, the low information content only allows limited identification. Laser pulses of different center wavelengths can be used to excite different fluorophores [5, 12], for example amino acids tryptophan and tyrosine, using a laser wavelength of, inter alia, 266 nm, or molecules that occur in the metabolism of living cells, such as reduced nicotine amide Adenine dinucleotide (NADH) and flavin adenine dinucleotide (FAD), using a laser wavelength of, inter alia, 355 nm. The different spectral shapes of the fluorescence signals after excitation with these different laser pulses provide unique information for the subsequent classification procedure. By combining data sets of both excitation processes, the classification performance can be significantly improved [5, 11, 13]. In order to further improve the specificity in the presented system, temporally resolved LIF signals were simultaneously acquired for each excitation pulse using fast electronics. Since the temporal behavior of fluorescence depends on the components involved, and in particular their microenvironments, the results may even vary between substances of similar chemical composition [12, 14, 15]. As shown below, this variation provides sufficient diversity to distinguish three selected bacterial suspensions that were excited and measured from a distance of 3.5 m with an accuracy of 98%. The distinctness of further different bacterial samples will be investigated in the future. The combination of time-resolved fluorescence data from bacterial samples determined from a given distance was used for the first time for the following classification. The classification performance is comparable to that when simultaneously spectrally resolved LIF data is acquired and with the combination of both data sets.
Experimenteller AufbauExperimental construction
In
Der kombinierte Strahlengang wird auf eine schnelle Photodiode geleitet und die sich ergebenden Messungen sind in
Die Fluoreszenz-Antwort wird auf zwei Glasfaserbündel mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm fokussiert unter Verwendung eines Parabolspiegels mit einem Durchmesser von 101,6 mm. Eines der Faserbündel leitet die Strahlung zu einem kompakten Gitter-Spektrometer (Hamamatsu A10766), welches mit einem 32-Kanal-Photovervielfacher-Röhren (PMT)-Array (Hamamatsu H7260) kombiniert ist. Die elektrischen Signale werden durch ein angepasstes Datenerfassungssystem (Vertilon Photoniq IQSP482) ausgelesen. Das Datenerfassungssystem stellt ein schnelles internes Gating bereit, um das Sammeln der spektralen Fluoreszenzdaten aufeinanderfolgender Laserpulse mit 266 nm und 355 nm zu ermöglichen. Mit anderen Worten umfasst es zwei sogenannten Bänke und jede Bank ist mit den 32 PMT-Kanälen verbunden. Nach einer einstellbaren Zeit, die der Laufzeit der Strahlung entspricht, um von der Probe zum Detektor zu gelangen, wird die erste Bank getriggert und startet die Integration für 50 ns. Nach einer Zeitverzögerung, die sich durch die Verzögerung der zwei aufeinanderfolgenden Laserpulse ergibt, wird die zweite Bank getriggert und integriert die Fluoreszenzsignale der zweiten Anregung ebenfalls für 50 ns. Das zweite Faserbündel leitet die Strahlung zu einer Anordnung bestehend aus optischen Filtern und Photovervielfacher-Röhren, die mit einem schnellen Oszilloskop (Keysight DSO-X 6004a) verbunden sind zum Aufnehmen der zeitlichen Fluoreszenzdaten mit einer Auflösung von 0,05 ns. Die Zeitbasis der Datenerfassung ist ein Triggerpuls der durch die Lasersteuerung erzeugt wird. Die Datenerfassungsparameter werden über ein selbstentwickeltes LabView [17]-Programm gesteuert.The fluorescence response is focused on two approximately 2 mm diameter fiber bundles using a 101.6 mm diameter parabolic mirror. One of the fiber bundles directs the radiation into a compact grating spectrometer (Hamamatsu A10766) combined with a 32-channel photomultiplier tube (PMT) array (Hamamatsu H7260). The electrical signals are read out by an adapted data acquisition system (Vertilon Photoniq IQSP482). The data acquisition system provides fast internal gating to allow collection of spectral fluorescence data from successive 266 nm and 355 nm laser pulses. In other words, it includes two so-called banks and each bank is connected to the 32 PMT channels. After a settable time equal to the duration of the radiation to travel from the sample to the detector, the first bank is triggered and starts the integration for 50 ns. After a time delay resulting from the delay of the two successive laser pulses, the second bank is triggered and also integrates the fluorescence signals of the second excitation for 50 ns. The second fiber bundle directs the radiation to an array of optical filters and photomultiplier tubes connected to a fast oscilloscope (Keysight DSO-X 6004a) to acquire the temporal fluorescence data at a resolution of 0.05 ns. The time base of the data acquisition is a trigger pulse generated by the laser control. The data acquisition parameters are controlled by a self-developed LabView [17] program.
Experimentelle Ergebnisse und DiskussionExperimental results and discussion
Die Identifikationsmöglichkeiten unter Einsatz des beschriebenen Systems wurden für Bakterienproben untersucht durch Messungen von drei unterschiedlichen Bakterienlösungen. Die Messungen wurden bei einem Abstand von 3,5 m und mit optischen Pulsenergien von ungefähr 30 µJ und 50 µJ für Laserpulse bei 266 nm und 355 nm durchgeführt. Die Proben wurden wie in Referenz [5] beschrieben präpariert, jedoch wurde eine Agar 1-Nährlösung (Sifin, Berlin, Deutschland) ohne Blut anstelle von Blut Agar-Platten eingesetzt. Die Bakterienlösungen wurden mit Phosphat-gepufferter Salzlösung (PBS) verdünnt, um eine Konzentration in der Größenordnung von 108 bis 109 Kolonie bildenden Einheiten pro ml zu erhalten.The identification possibilities using the described system were investigated for bacterial samples by measurements of three different bacterial solutions. The measurements were performed at a distance of 3.5 m and with optical pulse energies of approximately 30 μJ and 50 μJ for laser pulses at 266 nm and 355 nm. The samples were prepared as described in reference [5], but an
Die Messungen wurden innerhalb von zwei Stunden nach der Präparierung durchgeführt, da eine abnehmende Nahrungsversorgung einen Einfluss auf die spektrale Form der Bakterienproben haben kann, wie dies in Referenz [18] untersucht wurde. In
In Figurgen 6 und 7 sind die korrespondierenden zeitaufgelösten Fluoreszenzdaten dargestellt. Für die Messungen wurden unterschiedliche optische Filter bei 310 nm und 460 nm mit einer optischen Bandbreite von 10 nm vor die Photovervielfacher-Röhren angeordnet. Das zeitabhängige Fluoreszenzsignal der unterschiedlichen Proben, die bei 266 nm angeregt und bei 310 nm gemessen wurden, kann nicht voneinander unterschieden werden. Bei Anregung von 355 nm zeigen die Zeitsignale unterscheidbare Formen.FIGS. 6 and 7 show the corresponding time-resolved fluorescence data. For the measurements, different optical filters were placed at 310 nm and 460 nm with an optical bandwidth of 10 nm in front of the photomultiplier tubes. The time-dependent fluorescence signal of the different samples, excited at 266 nm and measured at 310 nm, can not be distinguished. When excited at 355 nm, the time signals show distinguishable shapes.
Die Identifikationsleistung des Systems wurde unter Verwendung des C5.0-Unterscheidungsbaum-Algorithmus bewertet. Ein Datensatz umfasst 500 Einzelpuls-, spektrale und zeitliche LIF-Messungen für jede Bakterienprobe, die analysiert wurde. Innerhalb des Datensatzes wurden 75 % der Daten für Trainingszwecke und 25 % für Testzwecke verwendet. Die Ergebnisse der Klassifikation sind in den Tabellen a) bis c) der
Tabelle der
Für die spektralen Daten wurde eine Genauigkeit von 97 % erreicht, wohingegen die zeitlichen Daten eine Genauigkeit von 87% lieferten. Für den kombinierten Datensatz beträgt die Genauigkeit 98%, was anzeigt, dass der Fluoreszenzzerfall die Leistung der Klassifikation bestimmt, wenn der kombinierte Datensatz für die drei gewählten Proben verwendet wird.For the spectral data an accuracy of 97% was achieved, whereas the temporal data provided an accuracy of 87%. For the combined data set, the accuracy is 98%, indicating that the fluorescence decay determines the performance of the classification when the combined data set is used for the three selected samples.
Literaturliterature
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3:
Berichtreport
Einleitungintroduction
In der heutigen Zeit ist die Früherkennung von chemischen und biologischen Gefahrstoffen sowie von Explosivstoffen aufgrund der steigenden Zahl an u.a. Industrieunfällen und terroristisch motivierten Anschlägen ein sehr wichtiges Thema. Speziell die berührungsfreie Detektion von Gefahrstoffen gewinnt immer mehr an Bedeutung, da hierdurch die Gefährdung durch Kontamination beziehungsweise Kontakt von Menschen mit den jeweiligen Gefahrstoffen vermieden werden kann. Hier ist die laserbasierte Ferndetektion eine der vielversprechendsten Methoden, da sie die gezielte, langreichweitige Propagation von relativ hohen Energien erlaubt, was eine Informationsabfrage auf große Distanz ermöglicht. Diesbezüglich wurde am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen ein Demonstrationsexperiment zur berührungsfreien Detektion und Klassifizierung von Gefahrstoffen aufgebaut (4).At the present time, the early detection of chemical and biological hazardous substances as well as explosives is due to the increasing number of u.a. Industrial accidents and terrorist attacks is a very important issue. In particular, the non-contact detection of hazardous substances is becoming increasingly important, as this can avoid the risk of contamination or contact of people with the respective hazardous substances. Here, laser-based remote detection is one of the most promising methods, as it allows the targeted, long-range propagation of relatively high energies, which allows an information query at a great distance. In this regard, a demonstration experiment for the non-contact detection and classification of hazardous substances was established at the German Aerospace Center (DLR) in Lampoldshausen (4).
Aufbauend auf diesem Experiment wurde vorgeschlagen, weiterführende Experimente an einem neuen Versuchsaufbau durchzuführen. In diesen Experimenten wird die Möglichkeit der Identifizierung beziehungsweise Klassifizierung unterschiedlicher Gefahrstoffe anhand von spektral und temporal aufgelösten Fluoreszenzsignalen untersucht. Dieser neue Aufbau wird in diesem Bericht vorgestellt. Based on this experiment, it was proposed to carry out further experiments on a new experimental set-up. In these experiments, the possibility of identifying or classifying different hazardous substances using spectrally and temporally resolved fluorescence signals is investigated. This new structure is presented in this report.
Die Abklingzeit der Fluoreszenz in den verantwortlichen chemischen Zusammensetzungen, Fluorophore genannt, liegt meist im niedrigen Nanosekundenbereich (7). Sie kann jedoch auch stark hiervon abweichen und chemisch beeinflusst werden, so dass Lebensdauern von einigen Picosekunden bis hin zu Millisekunden gemessen wurden (2, 5). Für Gemische können die zeitlichen Verläufe der Fluoreszenz aufgrund der unterschiedlichen Beiträge der enthaltenen Fluorophore spektral stark variieren. Dies wurde zum Beispiel für Dieselgemische gezeigt, wobei Lebensdauern im Bereich von 7 ns bis 100 ns in einem Spektralbereich von 300 nm-423 nm gemessen wurden (3). Für Bakterien wurden Fluoreszenzlebensdauern im Bereich von 0.5 ns bis 15 ns gemessen (6). Hier hängt die Abklingzeit stark von der Mikroumgebung der Fluorophore in den Bakterien ab, wodurch eine Unterscheidung einer kleinen Anzahl von untersuchten Bakterien anhand der gemessenen Tryptophan-Fluoreszenzlebensdauer getroffen werden konnte (1).The decay time of the fluorescence in the responsible chemical compositions, called fluorophores, is usually in the low nanosecond range (7). However, it can also deviate greatly and be chemically influenced, so that lifetimes from a few picoseconds to milliseconds were measured (2, 5). For mixtures, the time courses of the fluorescence can vary greatly spectrally due to the different contributions of the contained fluorophores. This has been demonstrated, for example, for diesel blends where lifetimes in the range of 7 ns to 100 ns were measured in a spectral range of 300 nm-423 nm (3). For bacteria, fluorescence lifetimes ranging from 0.5 ns to 15 ns were measured (6). Here, the cooldown is strongly dependent on the microenvironment of the fluorophores in the bacteria, allowing a distinction to be made between a small number of bacteria tested and the measured tryptophan fluorescence lifetimes (1).
Es soll untersucht werden in wie weit die Messung der Fluoreszenzlebensdauer als zusätzliche Information zur spektralen Fluoreszenzmessung, bei der Unterscheidung unterschiedlicher chemischer und biologischer Gefahrstoffe genutzt werden kann. Außerdem soll untersucht werden, ob die Klassifizierung mit Hilfe eines kompakteren Aufbaus im Vergleich zu dem vorhandenen Demonstrator-Experiments realisiert werden kann. Es wurde der in
Für die Klassifizierung der unterschiedlichen Proben wurden in dem Demonstrator-Experiment hoch aufgelöste Spektren mittels einer Kamera basierend auf einer verstärkten ladungsträgergekoppelten Schaltung ("intensified Charge Coupled Device iCCD) aufgenommen. Danach wurde das Fluoreszenzsignal zur Verringerung der Datenmenge über einen gewissen Spektralbereich integriert und analysiert. Um den Aufbau in dem hier untersuchten Experiment kompakter zu realisieren wird zur Aufnahme der Fluoreszenzsignale ein 32 Kanal Photo-Elektronenvervielfachendes Röhren-Array ("Photomultiplier Tube PMT, Hammamatsu 7260a) anstelle einer hochauflösenden iCCD-Kamera verwendet. Dieses liefert anstelle der 1024 Kanäle der iC-CD 32 Kanäle und stellt eine starke Vereinfachung des Systems dar. Jedoch ermöglicht es dieser Aufbau durch die sehr hohe Sensitivität der PMTs (Einzelphotonendetektion) die Echtzeitmessung des zeitlichen Verhaltens der Fluoreszenz mit einer Auflösung im Nanosekunden-Bereich nach Anregung durch einen einzelnen Laserpuls. Damit das Fluoreszenzsignal zeitlich aufgelöst werden kann sollte der Anregungslaserpuls kürzer sein als die Fluoreszenzlebensdauer. Deshalb wurde ein neues Kurzpuls-Lasersystem beschafft, welches Laserpulse mit einer Pulsdauer von <500 ns zur Verfügung stellt. Dieses System wird in Kapitel 2 näher beschrieben. Während des Demonstrator-Experimentes hat sich gezeigt, dass sich die Fluoreszenzsignale bei Anregung mit Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich unterscheiden, wodurch zusätzliche Informationen für die Charakterisierung genutzt werden können. Deshalb werden in dem hier untersuchten Aufbau ebenfalls zwei Anregungswellenlängen verwendet. Es wird der frequenzverdreifachte und der frequenzvervierfachte Ausgang eines Nd:YAG Lasers der Firma Innolas eingesetzt, wobei zwei Laserpulse mit Ausgangswellenlängen von 266 nm und 355 nm gleichzeitig bereitgestellt werden. Für die Untersuchungen der Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz müssen die Laserpulse gegeneinander zeitlich verzögert auf die Probe treffen. Um die Laserpulse zeitlich zu separieren, wurde eine Verzögerungsstrecke geplant, aufgebaut und untersucht. Diese Untersuchungen werden in Kapitel 3 vorgestellt. Nach dem Aufbau und der Charakterisierung des Anregungslasers und der Verzögerungsstrecke wurde das Detektionssystem aufgebaut und ein Experimentierkontrollprogramm entwickelt mit dessen Hilfe die gemessenen Signale aufgenommen und gespeichert werden können. Der Detektionsaufbau wird in Kapitel 4 und die Funktionsweise des Computerprogramms wird in Kapitel 5 vorgestellt. Nach Fertigstellung des experimentellen Aufbaus konnten erste spektrale und zeitliche Verläufe der Fluoreszenz aufgenommen werden, die in Kapitel 6 vorgestellt werden. Am Ende des Berichts in Kapitel 7 werden die bisherigen Ergebnisse zusammengefasst und Zukunftsperspektiven des Experiments diskutiert.For the classification of the different samples, high resolution spectra were recorded in the demonstrator experiment by means of a camera based on an intensified charge coupled device (ICIC), after which the fluorescence signal was integrated and analyzed over a certain spectral range to reduce the amount of data. To make the setup more compact in the experiment under study, a 32 channel photon multiplier tube array ("Photomultiplier Tube PMT, Hammamatsu 7260a) is used instead of a high resolution iCCD camera to capture the fluorescence signals. This provides 32 channels instead of the 1024 channels of the iC-CD and represents a great simplification of the system. However, this structure allows the real-time measurement of the fluorescence behavior with a resolution in the nanosecond range due to the very high sensitivity of the PMTs (single-photon detection) after excitation by a single laser pulse. In order for the fluorescence signal to be resolved in time, the excitation laser pulse should be shorter than the fluorescence lifetime. Therefore, a new short-pulse laser system was procured, which provides laser pulses with a pulse duration of <500 ns. This system is described in more detail in
Lasersetuplaser Setup
Für die Untersuchungen wurde das Lasersystem mit den folgenden Spezifikationen ausgeschrieben und beschafft.
- • Innolas picolo Magna DPSS:
- • Wellenlängen: 266 nm und 355 nm
- • Pulsenergie: >30 mJ (266 nm); >30 mJ (355 nm)
- • Pulsdauer: <700 ps
- • Energiestabilität bei 266 nm <1.5 %
- • Energiestabilität bei 355 nm <1.5 %
- • Divergenz: <0.5 mrad bei 355 nm
- • Strahldurchmesser: ca. 6 mm
- • Innolas picolo Magna DPSS:
- • Wavelengths: 266 nm and 355 nm
- Pulse energy:> 30 mJ (266 nm); > 30 mJ (355 nm)
- • Pulse duration: <700 ps
- Energy stability at 266 nm <1.5%
- Energy stability at 355 nm <1.5%
- • Divergence: <0.5 mrad at 355 nm
- • Beam diameter: approx. 6 mm
Nach der Installation des Lasersystems wurde die Energiestabilität der unterschiedlichen Ausgänge überprüft und die Pulsdauer gemessen. Für die Standardabweichung der Energiestabilität ergaben sich 1.29 % für den 266 nm Ausgang und 1.85 % für den 355 nm, was den Anforderungsgrenzwert leicht überschreitet, sich jedoch nicht negativ auf die Messungen auswirken sollte, da die Stabilität deutlich besser als im Demonstrator-Experiment ist. Des Weiteren wurde die Strahlgröße und die Divergenz (bestimmbar aus der Strahlgröße an zwei voneinander entfernten Positionen) des Laserstrahles mittels der sogenannten Knife-Edge Methode gemessen. Hierbei wurde die Laserleistung während der Translation eines scharfkantigen eloxierten Metallkeils durch den Laserstrahl für unterschiedliche transversale Positionen des Keils gemessen. Mit Hilfe der gemessenen Leistung kann der Strahldurchmesser aus der Anpassung der Parameter der folgenden Funktion an die Messwerte extrahiert werden:
Dabei entspricht P1 der maximal gemessenen Leistung, P2 einem Strahl-Positionsparameter und P3 dem zu bestimmenden 1/e-Strahlradius. Wird die Messung an zwei oder mehr Positionen durchgeführt, kann aus der Änderung des Strahldurchmessers der Divergenzwinkel, d.h. die Aufweitung des Laserstrahls relativ zur Strahlausbreitung, bestimmt werden. Die Ergebnisse der Messung sind in den
Aus den Messungen wurde der Strahldurchmesser am Ausgang des Lasers zu ca. 7.3 mm und die Divergenz zu 0.35 mrad bestimmt. Die sehr kleine Divergenz ermöglicht die Nutzung der in Kapitel 3 beschriebenen Verzögerungsstrecke, da sich hierdurch der Strahl auch nach dem Zurücklegen einer Distanz von mehreren 10 m nicht zu sehr aufweitet. In einer weiteren Messung zur Charakterisierung des Lasersystems wurde die Laserpulslänge mittels einer sehr schnellen Photodiode zu ca. 500 ps bestimmt. Dieser Wert liegt unter dem Geforderten und reduziert den Einfluss der Laseranregung auf die Messung der Fluoreszenzlebensdauer im Vergleich zum Demonstrator-Experiment deutlich.From the measurements, the beam diameter at the output of the laser was determined to be about 7.3 mm and the divergence to 0.35 mrad. The very small divergence makes it possible to use the delay line described in
Verzögerungsstreckedelay path
Es wurde eine Verzögerungsstrecke entworfen und aufgebaut, durch die die simultan ausgegebenen Laserpulse mit Wellenlängen von 266 nm und 355 nm um bis zu 120 ns zeitlich separiert werden können. Sie besteht aus zwei leicht zueinander verkippten planaren Spiegeln, wobei der einfallende Laserstrahl durch die Verkippung der Spiegel zueinander zunächst bei jeder aufeinanderfolgenden Reflexion einen kleineren Reflexionswinkel aufweist. Nach einer durch den Verkippungswinkel bestimmten Anzahl an Reflexionen kommt es zu einem Punkt, an dem der Strahl umkehrt und sich der Reflexionswinkel bei den folgenden Reflexionen wieder vergrößert, bis er die Verzögerungsstrecke verlässt. Über den Verkippungswinkel kann zusätzlich ausgewählt werden, in welche Richtung der Strahl aus der Strecke ausgekoppelt wird. Dies ist in
Um die Spiegel in den experimentellen Aufbau zu integrieren und zueinander justieren zu können, wurden zwei Spiegelhalter in unserem Institut entworfen und angefertigt. Diese wurden an die Abmessungen und Justage-Anforderung angepasst, wobei im speziellen die Winkel der beiden Spiegel zueinander sehr genau einstellbar sein mussten. So zeigten theoretische Voruntersuchungen zum Beispiel, dass zur nötigen Separation des Laserstrahls nach der letzten Reflexion, der Winkel der Spiegel zueinander in der horizontalen Achse auf ca. 10 |jrad einstellbar sein muss, was einer Positionierung der Spiegelkanten mit einer Genauigkeit von 2.5 µm entspricht. Um die Justage-Anforderung zu erfüllen wurden die beiden Spiegelhalter so konstruiert, dass ein Spiegelhalter die horizontale Ausrichtung der beiden Spiegel zueinander höchst genau und der andere Spiegelhalter die vertikale Ausrichtung der Spiegel zueinander erlaubt. In order to integrate the mirrors into the experimental setup and to be able to adjust each other, two mirror holders were designed and manufactured in our institute. These were adapted to the dimensions and adjustment requirement, wherein in particular the angle of the two mirrors to each other had to be very precisely adjustable. For example, theoretical preliminary investigations showed that for the necessary separation of the laser beam after the last reflection, the angle of the mirrors to each other in the horizontal axis must be adjustable to about 10 μm, which corresponds to a positioning of the mirror edges with an accuracy of 2.5 μm. To meet the adjustment requirement, the two mirror holders were designed so that a mirror holder allows the horizontal alignment of the two mirrors to each other very accurately and the other mirror holder allows the vertical alignment of the mirror to each other.
Nach der Integration der Strecke in den optischen Aufbau wurde der Strahlengang der Laserpulse des 266 nm und des 355 nm Ausgangs nach dem Durchlaufen der Verzögerungsstrecke überlagert und ihre Leistung mittels einer Photodiode (Bandbreite >7 GHz) zeitaufgelöst gemessen. Die Messung ist in
Aus der Messung wurde die Verzögerung in Abhängigkeit von der Anzahl an Durchlaufen durch die Verzögerungsstrecke bestimmt, die durch die unterschiedliche Weglänge hervorgerufen wird. Es konnten bei einem Spiegelabstand von etwa 85 mm bis zu 40 Reflexionen an den Spiegeloberflächen erreicht werden, was zu einer Verzögerung des zweiten Laserpulses um ca. 120 ns gegenüber dem ersten Laserpuls führt.From the measurement, the delay was determined depending on the number of passes through the delay line caused by the different path length. With a mirror spacing of approximately 85 mm, it was possible to achieve up to 40 reflections at the mirror surfaces, which leads to a delay of the second laser pulse by approximately 120 ns compared with the first laser pulse.
Detektionsaufbau und TimingDetection setup and timing
In
Das von der Probe gestreute Licht wird über einen Parabolspiegel in das in
Die 32 Signale, die von dem PMT-Array aufgenommen werden, werden über eine Schnittstelle (SIB323) an ein Kabel (SBC090P) und über eine weitere speziell angefertigte Schnittstelle (CIB3264) an die 32 Eingänge des Ladungsintegrators weitergeleitet. Die einzelnen Eingänge sind 4 Bänken zugeordnet, wobei jeweils 16 Eingänge einer Bank zugeordnet werden und die Daten jedes Eingangs an zwei Bänken weitergeleitet werden. Wie in
Experimentkontrollprogramm Experiment Control Program
Es wurde ein Programm mittels des grafischen Programmiersystems Lab-VIEW zur Steuerung des Experiments und zur Datenspeicherung geschrieben. Eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Programmes ist in
Über ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signal, das von einer National Instruments (NI) Multifunktions-Datenerfassungskarte generiert wird, steuert das Computerprogramm einen Lasershutter, der die Probe vor ungewollter Laserstrahlung schützt. Weiterhin werden die im Kapitel 4 beschriebenen Datenaufnahmegeräte (Vertilon PhotoniQ und Oszilloskop) initialisiert und ausgelesen. Es wurde eine sogenannte "State-machine-Programmstruktur verwendet, bei der nach der Initialisierung des Programms auf Ereignisse gewartet wird und dann je nach Ereignis unterschiedliche Schleifen durchlaufen werden. So können Parameter für die Datenaufnahme geändert und der Lasershutter kontrolliert werden. Wird eine Messung gestartet, werden je nach Einstellung der "measurement sequence Variablen die in
Die
Die kontinuierliche Messung dient hauptsächlich zur Justage des Systems, hier werden nach dem Start aufeinanderfolgende Einzelmessungen durchgeführt und grafisch dargestellt. Bei der Einzelmessung wird nur die spektrale Information ausgelesen und, wenn gewollt, gespeichert. Bei der "spektralen und zeitlichen Messung werden sowohl das Oszilloskop als auch der Ladungsintegrator ausgelesen, die Ergebnisse grafisch dargestellt und, wenn gewünscht, die Daten in zwei unterschiedliche Dateien gespeichert.The continuous measurement is mainly used for the adjustment of the system, here after the start of successive individual measurements are performed and graphically displayed. In the single measurement, only the spectral information is read out and, if desired, stored. The "spectral and temporal measurement" reads both the oscilloscope and the charge integrator, graphs the results and, if desired, saves the data in two different files.
In
In der oberen linken Ecke können die Parameter für die Messung eingestellt und die Messprozedur gewählt werden. Die nächsten beiden Unterteilungen dienen der Parametereinstellung des Ladungsintegrators und des Oszilloskops. In der letzten Unterteilung der ersten Zeile können die Parameter wie u.a. der Dateiname für die Speicherung eingestellt werden. In der größeren Unterteilung links können noch generelle Einstellungen wie die Shutterposition kontrolliert werden und es wird hier der aktuelle Systemzustand angegeben. In der Hauptanzeige, im Zentrum, werden die Messergebnisse grafisch dargestellt, wobei die vier kleineren Diagramme die zeitabhängigen Messungen der ausgekoppelten Kanäle darstellen und das größere die spektrale Messung. Am rechten unteren Rand kann das Programm gestoppt werden. Werden Einzelmessungen oder kontinuierliche Messungen durchgeführt wechselt das Programm den Reiter im zentralen Feld und die spektrale Messung wird größer dargestellt.In the upper left corner the parameters for the measurement can be set and the measuring procedure can be selected. The next two subdivisions are used to set the parameters of the charge integrator and the oscilloscope. In the last subdivision of the first line, the parameters such as u.a. the file name can be set for storage. In the larger subdivision on the left, general settings such as the shutter position can still be checked and the current system state is indicated here. In the main display, in the center, the measurement results are displayed graphically, with the four smaller diagrams representing the time-dependent measurements of the decoupled channels and the larger the spectral measurement. The program can be stopped in the lower right corner. If individual measurements or continuous measurements are carried out, the program changes the tab in the central field and the spectral measurement is displayed larger.
Vorläufige ErgebnissePreliminary results
Es wurden erste Messungen an fünf verschiedenen Proben für einen Abstand von 3 m zwischen Probe und Parabolspiegel beziehungsweise Laser durchgeführt. Während der Messungen wurde die Pulsenergie der Laserpulse nicht manuell verändert, wobei die niedrigste Pulsenergie, die mit unserem Energiemessinstrument gemessen werden konnte, ca. 10 µJ war. Da bei dieser Pulsenergie die PMTs von der Fluoreszenz gesättigt waren wurde ein Neutraldichtefilter (ND) der Stärke ND2, also mit einer Durchlässigkeit von 1 %, in den Strahlengang vor der Probe eingebaut und die Pulsenergie vor diesem Filter gemessen. Für die Laserpulse des 266 nm Laserausgangs wurde eine Pulsenergie von 40 µJ gemessen, was einer Pulsenergie von 400 nJ auf der Probe entspricht. Für die Laserpulse des 355 nm Laserausgangs wurde eine Pulsenergie von 15 µJ gemessen, was einer Pulsenergie von 150 nJ auf der Probe entspricht.First measurements were made on five different samples for a distance of 3 m between sample and parabolic mirror or laser. During the measurements, the pulse energy of the laser pulses was not changed manually, with the lowest pulse energy that could be measured with our energy meter being about 10 μJ. Since at this pulse energy the PMTs were saturated with fluorescence, a neutral density filter (ND) of thickness ND2, ie with a permeability of 1%, was incorporated into the beam path in front of the sample and the pulse energy measured in front of this filter. For the laser pulses of the 266 nm laser output, a pulse energy of 40 μJ was measured, which corresponds to a pulse energy of 400 nJ on the sample. For the laser pulses of the 355 nm laser output, a pulse energy of 15 μJ was measured, which corresponds to a pulse energy of 150 nJ on the sample.
In den Spektren sind mehrere Signale auffällig. Zum einen ist bei den Fluoreszenzmessungen bei einer Anregungswellenlänge von 266 nm ein Einbruch des Signals auf Kanal 8 des PMT-Arrays zu sehen. Dies kommt durch einen vor dem Fasereingang befindlichen Kerbfilters zustande. Zusätzlich ist ein starkes Signal auf Kanal 21 zu sehen, welches durch Streulicht des frequenzverdoppelten Ausgangs und eines Restanteils des frequenzverdoppelten Lichts in dem frequenzvervierfachten Ausgang des Lasers hervorgerufen wird. Dies soll zukünftig durch weitere Einhausung des optischen Aufbaus reduziert werden. Weiterhin sind für beide Anregungswellenlängen Einbrüche auf den Kanälen 4, 12 20, 28 zu sehen. Diese kommen durch die kapazitive Auskopplung des Zeitsignals zu Stande. Diese Einbrüche sollen in Zukunft über eine Verbesserung der elektronischen Komponenten und durch eine Überarbeitung der Auskopplungsmechanismen verringert werden.In the spectra several signals are noticeable. On the one hand, a drop in the signal on
In den
Zusammenfassung und AusblickSummary and Outlook
In den vorstehenden Abschnitten 1 bis 6 des Berichts wurde der aufgebaute und charakterisierte experimentelle Aufbau zur Identifikation beziehungsweise Klassifizierung von Gefahrstoffen vorgestellt. Hierfür wurden zunächst der gesamte optische Aufbau und die Charakterisierung des beschafften Lasers beschrieben. Danach wurde die selbst entwickelte Verzögerungsstrecke sowie deren Halterung vorgestellt und Messungen der Funktion der Strecke beschrieben (Abschnitt 3). Danach wurde in Abschnitt 4 der für die Detektion der spektralen und temporalen Fluoreszenzsignale benutzte optoelektronische Aufbau vorgestellt und das Versuchstiming näher beschrieben. In dem darauffolgenden Abschnitt 5 wurde das selbsterstellte Programm zur Steuerung des Experiments beschrieben. Im letzten Kapitel wurden dann erste Messergebnisse für fünf verschiedene Stoffe vorgestellt und es konnte gezeigt werden, dass für diese Stoffe ein Informationsgewinn durch die Aufnahme der Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz erlangt werden kann. Nach einer Untersuchung der Verbesserungsmöglichkeiten der Detektionselektronik soll in Zukunft die Reproduzierbarkeit der zeitlichen Messungen untersucht werden. Außerdem soll eine größere Menge an Gefahrstoffen untersucht und ein Klassifizierungsalgorithmus für diese Stoffe implementiert werden, so dass dieses System als Gefahrstoffdetektionseinheit genutzt werden kann.In the
Literaturliterature
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Systemsystem
- 1212
- Strahlungsquelleradiation source
- 1414
- Laserlaser
- 1616
- Probesample
- 1818
- Verzögerungseinrichtungdelay means
- 2020
- Spiegelmirror
- 2222
- Spiegelmirror
- 2424
- Fluoreszenzstrahlungfluorescence radiation
- 26 26
- Nachweisoptikdetection optics
- 2828
- Parabolspiegelparade
- 3030
- Faserbündelfiber bundles
- 3232
- Faserbündelfiber bundles
- 3434
- Spektroskopieeinrichtungspectroscopy device
- 3636
- Gitterspektrometergrating spectrometer
- 3838
- Signalleitungsignal line
- 4040
- DatenerfassungseinrichtungData acquisition device
- 4242
- Datenverteilungdata distribution
- 4444
- Computercomputer
- 4646
- PMTPMT
- 4848
- Signalleitungsignal line
- 5050
- Oszilloskoposcilloscope
- 5252
- Signalleitungsignal line
- 5454
- Detektionseinrichtungdetection device
- 5656
- PMT-ArrayPMT array
- 5858
- Signalleitungsignal line
- 6060
- Lasersteuerunglaser control
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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